电流诱导亚铁磁绝缘体Mn₃Si₂Te₆中相变行为的电热起源解析 | 进展

电流驱动的绝缘体-金属相变（IMT）是凝聚态物理的研究热点，具有广泛的器件应用前景。然而，电流诱导的IMT机制复杂，常被归因于诸如莫特能隙压制、自旋轨道耦合、轨道电流等非平衡效应，焦耳热的贡献却往往被忽视或难以界定，这为器件调控和物性解析带来挑战。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室高鸿钧研究组（N04）与许杨研究组（N08）合作，系统性地研究了亚铁磁材料Mn₃Si₂Te₆中电流诱导相变的真实物理图像。通过低温磁力探针显微镜技术（MFM）与瞬态时间分辨的输运测量，观察到电流作用下磁畴的演化与电压突变行为，揭示了这些相变现象是电热效应积累所致，而非诱导产生的真正新型非平衡量子态。

图. (a)随电流增大，Mn₃Si₂Te₆由亚铁磁态转变为顺磁态。(b)时间分辨输运测量下的动态电压响应。(c)电热模拟显示样品电阻与温度随时间的演化，插图展示了大电流作用下的温度分布不均。(d)揭示“类相变”的I-V特性曲线行为源于焦耳热效应积累和正反馈机制。

通过逐步增加电流和同步MFM表征，联合研究团队发现磁畴在临界电流（Ic≈17.4 mA）时突然消失，样品进入非磁性态；当电流降至较低值（Ic≈15.6 mA）时，磁畴重新出现。这种“类一阶”的磁性相变表现出明显的回滞效应，并伴随着电压突变和负微分电阻特征。通过施加矩形脉冲电流并进行时间分辨输运测量，发现了瞬时电阻变化与温度依赖的R-T曲线具有高度相似性，表明样品可在数百微秒内因电热效应升温超百开尔文，从而触发相变。随后建立的简化电热模型有效重现了实验现象。此外，从脉冲电流测量提取的瞬态I-V曲线呈线性关系，符合欧姆定律，明显不同于常规直流输运测量中的非线性行为[Nature 611,467 (2022)]，进一步排除非平衡电子态的可能性。该研究不仅澄清了Mn₃Si₂Te₆中电流驱动“相变”的真实成因，也对如何在量子材料的研究中识别与规避电热误差提供了参考，具有方法论上的普适意义。

相关成果以“Electrothermal Manipulation of Current-Induced Phase Transitions in Ferrimagnetic Mn₃Si₂Te₆”为题发表于Physical Review Letters134,256302 (2025)，并被选为Editor’s Suggestion（编辑推荐）。物理所博士生房家祺、博士生户佳玮（已毕业）、博士生陈欣甜为共同第一作者，李治林副研究员、朱诗雨副研究员、许杨特聘研究员、高鸿钧研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、科技部、中国科学院等科研项目的支持。

编辑：千里雁啼