反铁磁材料因其 太赫兹（THz） 尺度的本征动力学频率和对外场干扰的高稳定性，被视为构建下一代超高速、高密度信息存储与逻辑器件的理想候选者。在反铁磁自旋电子学中，尼尔自旋轨道矩（NSOT） 的发现使得利用电荷电流脉冲高效操控反铁磁尼尔矢量成为可能，为高速信息存储提供了独特机遇。
然而，根据物理学的 昂萨格互易关系，NSOT 的逆过程——即通过反铁磁序的动态变化直接产生超快电荷电流——是否成立，一直缺乏确凿的实验证据。在诸如 CuMnAs、Mn2Au 等具有局域反演对称性破缺的反铁磁金属中，理论上预测当尼尔矢量涨落激发非平衡自旋极化时，可通过自旋-轨道耦合直接产生电荷电流，实现从磁振子到电荷的“直接转换”。验证这一互易效应不仅具有基础物理意义，也将为开发新型反铁磁太赫兹发射器奠定基础。
南京大学超导电子学研究所金飚兵教授团队与清华大学材料学院宋成教授团队合作，在反铁磁金属 Mn2Au 薄膜中，首次通过超快光学激发实验观测到了由 反铁磁磁振子直接产生的电荷电流，确证了尼尔自旋轨道矩的互易现象。
研究团队利用飞秒激光脉冲激发 Mn2Au 薄膜中的反铁磁磁振子（图 1）。激光脉冲导致局域磁矩发生取向涨落与大小变化，在两个磁性子晶格中产生符号相反的瞬时非平衡自旋极化（σA = -σB）。由于 Mn2Au 晶体结构固有的 局域反演对称性破缺，这种交错的自旋极化通过自旋-轨道耦合被直接转换为净电荷电流。该电流的产生方向垂直于自旋极化方向，完美符合 NSOT 的互易关系预言。
实验上，团队采用 太赫兹发射光谱技术 对 15 nm 厚的 Mn2Au 单层薄膜进行了测量（图 2）。在飞秒激光泵浦下，成功探测到了线偏振的 THz 脉冲发射，频谱宽度可达 2.8 THz（图 2b, c），且信号振幅与泵浦激光能量呈线性关系（图 2d）。
为排除其他机制，研究进行了关键的对比实验（图 3）：
1. 排除逆自旋霍尔效应：在 Mn2Au/Pt 双层膜中，THz 信号强度并未如典型自旋泵浦效应那样增强，反而因 Pt 层的吸收而减弱，表明信号源自 Mn2Au 内部。
2. 排除磁偶极子辐射：在具有中心对称结构的反铁磁 FeRh 薄膜中，测得的 THz 信号比 Mn2Au 弱约 50 倍，确认了 局域对称性破缺 是产生净电流的关键。
3. 磁场无关性：施加高达 4 kOe 的外磁场对 THz 发射信号无明显影响，证明了其反铁磁序的本质。
更重要的是，研究团队利用铁电衬底 PMN-PT 产生的铁弹应变，对 Mn2Au 的尼尔矢量进行了非易失性电学调控（图 4）。实验发现，THz 发射信号的幅值和角度依赖关系 随尼尔矢量的方向变化而发生规律性改变。当尼尔矢量沿 [100] 方向时，信号呈现 180° 周期的余弦依赖关系；当通过电场将尼尔矢量切换至 [011] 方向后，信号的角度依赖曲线出现了约 30° 的相移。这一结果直接证明了产生的电荷电流方向与尼尔矢量垂直，为互易机制提供了最直接的实验证据。
1. 基础物理验证：首次在实验上完整演示了反铁磁系统中 尼尔自旋轨道矩及其互易效应，为昂萨格互易关系在自旋电子学中的体现提供了关键案例，深化了对自旋-电荷相互转换物理的理解。
2. 机制创新：提出了 “反铁磁磁振子电荷电流” 的新概念，揭示了无需重金属层、在单一反铁磁材料内部实现磁振子-电荷直接转换的全新路径。
3. 技术应用潜力：
新型太赫兹源：该机制为开发 高效率、高稳定性、可电学调控的反铁磁太赫兹发射器 提供了原理原型，有望用于未来无线通信与光谱成像。
超快自旋传感：该效应可用于探测反铁磁序的超快动力学，为研究反铁磁中的超快过程提供新工具。
扩展材料体系：该原理适用于 Mn2Au、CuMnAs、RuO₂ 等具有类似对称性破缺的反铁磁金属，为材料探索指明了方向。
本研究不仅证实了一个长期预测的基础物理效应，更开辟了利用反铁磁体自身特性产生和操控超快电荷流的新研究方向，推动了反铁磁自旋电子学向太赫兹频段和功能集成方向发展。
图 1：Mn2Au 中磁振子电荷电流的产生原理
a) Mn2Au 的晶体结构，展示两个磁性子晶格（MnA, MnB）。b) 飞秒激光触发局域磁矩的涨落，产生交错的自旋极化。c) 基于尼尔自旋轨道矩互易关系的原理示意图：交错自旋极化通过自旋-轨道耦合产生净电荷电流。
图 2：实验装置与太赫兹发射表征
a) 太赫兹发射光谱实验示意图。b) 从 15 nm Mn2Au 单层膜测得的典型 THz 时域波形。c) 对应的傅里叶变换频谱。d) THz 信号振幅与泵浦激光能量（通量）的线性依赖关系。
图 3：太赫兹发射机制的对比验证
a) Mn2Au 单层、Mn2Au/Pt 双层、NiO/Pt 及 FeRh 的 THz 发射信号对比，表明 Mn2Au 的信号源于内部机制。b) THz 发射信号对外加磁场的无依赖性，证实其反铁磁起源。
图 4：尼尔矢量电控切换对电荷电流的影响
a, b) 利用 PMN-PT 铁电衬底应变电切换 Mn2Au 尼尔矢量的示意图。c-e) 原始状态、施加电场 E1 后、施加电场 E2 后，THz 信号振幅随样品方位角 θ 的变化关系。信号的角度对称性随尼尔矢量方向改变而改变，直接验证了电流产生机制。
本研究以“Antiferromagnetic magnonic charge current generation via ultrafast optical excitation”为题，于 2024 年发表在《自然·通讯》（Nature Communications，影响因子：17.694）上。
文献来源：
Lin Huang, Liyang Liao, Hongsong Qiu, Xianzhe Chen, Hua Bai, Lei Han, Yongjian Zhou, Yichen Su, Zhiyuan Zhou, Feng Pan, Biaobing Jin*, Cheng Song*. Antiferromagnetic magnonic charge current generation via ultrafast optical excitation. Nature Communications 15, 4270 (2024).