【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶上海科技大學(xué)郭艷峰團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心合作，依托SHMFF的水冷磁體WM5對(duì)三方晶系反鐵磁拓?fù)洳牧螮uAl2Si2進(jìn)行了量子輸運(yùn)研究，揭示了一種新型反常霍爾效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制。該成果于2024年11月21日發(fā)表在權(quán)威物理期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。
 

　　時(shí)間反演對(duì)稱性破缺的磁性材料中，本征反常霍爾電導(dǎo)由非零的貝里曲率產(chǎn)生，通常正比于磁化強(qiáng)度，因此反鐵磁材料中一般不表現(xiàn)出反常霍爾效應(yīng)。但是，當(dāng)反鐵磁材料具有非共線磁結(jié)構(gòu)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生非零的貝利曲率，從而表現(xiàn)出反常霍爾效應(yīng)，如近幾年廣泛研究的非共線反鐵磁材料Mn3Sn，在室溫下表現(xiàn)出與很多鐵磁材料相比擬的大于100 S cm-1的反常霍爾電導(dǎo)。另一方面，本征反常霍爾效應(yīng)因?yàn)榕c貝利曲率相聯(lián)系，具有很高的可控性，因此成為下一代自旋電子學(xué)應(yīng)用的重要選擇。
 

　　上海科技大學(xué)郭艷峰團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期通過(guò)探索磁性拓?fù)洳牧蟻?lái)研究反常霍爾效應(yīng)。對(duì)三方晶系反鐵磁拓?fù)洳牧螮uAl2Si2開展了量子輸運(yùn)及第一性原理計(jì)算研究，結(jié)果顯示對(duì)該材料沿c軸方向施加4 T外磁場(chǎng)即可誘導(dǎo)從反鐵磁拓?fù)浣^緣體到鐵磁外爾半金屬態(tài)的相變。深入分析發(fā)現(xiàn)，2 K、1.2 T時(shí)對(duì)應(yīng)鐵磁外爾態(tài)的最大本征反常霍爾電導(dǎo)僅為151 S cm-1，與理論計(jì)算值非常接近，但與高達(dá)1.51 × 104 S cm-1的非本征反常霍爾電導(dǎo)相去甚遠(yuǎn)(圖1)。隨后，該團(tuán)隊(duì)與上海科技大學(xué)拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室王文波團(tuán)隊(duì)合作，利用磁力顯微鏡測(cè)量發(fā)現(xiàn)EuAl2Si2具有周期性平行排列的條紋狀磁疇結(jié)構(gòu)，并且該周期受磁場(chǎng)調(diào)控，隨升場(chǎng)及降場(chǎng)過(guò)程呈現(xiàn)出可逆變化。通過(guò)對(duì)磁疇密度、磁化強(qiáng)度及非本征反常霍爾電導(dǎo)變化的標(biāo)度，首次確定了一種新型反常霍爾效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制——疇壁不對(duì)稱斜散射效應(yīng)，即磁疇壁對(duì)布洛赫電子的不對(duì)稱斜散射貢獻(xiàn)了凈反常霍爾電導(dǎo)(圖2)，且由于散射系數(shù)在該材料費(fèi)米能級(jí)附近存在外爾點(diǎn)時(shí)得到極大增強(qiáng)，使得EuAl2Si2表現(xiàn)出巨大的非本征反常霍爾電導(dǎo)，由此展示了一種新的反常霍爾效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制。
 

　　在該研究中，為了確認(rèn)EuAl2Si2的非平庸拓?fù)湫裕芯繄F(tuán)隊(duì)利用SHMFF水冷磁體WM5開展了磁輸運(yùn)測(cè)量，揭示在2 K及31 T磁場(chǎng)下該材料表現(xiàn)出1.37×103 %的不飽和磁阻。而當(dāng)磁場(chǎng)大于4 T 時(shí)，Eu2+磁矩沿著外磁場(chǎng)方向完全自旋極化后則表現(xiàn)出明顯的磁阻量子振蕩。對(duì)量子振蕩數(shù)據(jù)分析表明了非平庸拓?fù)鋺B(tài)的存在。與寧波材料研究所鐘志誠(chéng)團(tuán)隊(duì)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈大偉團(tuán)隊(duì)合作利用自旋極化態(tài)能帶計(jì)算及角分辨光電子能譜測(cè)量，進(jìn)一步證明了該材料的非平庸拓?fù)湫再|(zhì)，并發(fā)現(xiàn)自旋極化外爾態(tài)的外爾點(diǎn)在費(fèi)米能級(jí)以下僅57 meV處。
 

　　該研究成果不僅揭示了一種新型反常霍爾效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制，提供了一個(gè)具有巨大反常霍爾效應(yīng)的反鐵磁材料，還展示了磁場(chǎng)可控的非本征反常霍爾效應(yīng)，朝著探索非本征反常霍爾效應(yīng)實(shí)際應(yīng)用走出了堅(jiān)實(shí)的一步。
 

　　圖1.a.EuAl2Si2的晶體結(jié)構(gòu)示意圖(箭頭表示自旋方向)；b.橫向霍爾電阻率；c.霍爾電阻率分析結(jié)果；d.非本征反常霍爾電阻率隨溫度變化情況；e.本征與非本征反常霍爾電導(dǎo)隨磁場(chǎng)變化情況；f.極化態(tài)外爾點(diǎn)位置(紅圈)
 

　　圖2. 新型反常霍爾效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制。a-i.平行排列的周期性條紋疇隨磁場(chǎng)變化情況；j. EuAl2Si2的反常霍爾電導(dǎo)與其它材料比較；k.磁疇及疇壁排示意圖；l.疇壁不對(duì)稱斜散射示意圖
 

　　圖3. EuAl2Si2高場(chǎng)輸運(yùn)測(cè)量及分析結(jié)果。a.縱向磁阻，插圖為測(cè)量的示意圖；b.縱向磁阻的量子振蕩；c.分析的量子振蕩基本頻率；d-e.量子振蕩參數(shù)分析結(jié)果；f-g.量子振蕩轉(zhuǎn)角測(cè)量結(jié)果；h.提取的轉(zhuǎn)角量子振蕩基本頻率與計(jì)算的費(fèi)米口袋對(duì)應(yīng)關(guān)系；i.量子振蕩基本頻率的貝里相位