【儀表網 研發快訊】近期，穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶上海科技大學郭艷峰團隊與中國科學院合肥物質院強磁場中心合作，依托SHMFF的水冷磁體WM5對三方晶系反鐵磁拓撲材料EuAl2Si2進行了量子輸運研究，揭示了一種新型反常霍爾效應產生機制。該成果于2024年11月21日發表在權威物理期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
時間反演對稱性破缺的磁性材料中，本征反常霍爾電導由非零的貝里曲率產生，通常正比于磁化強度，因此反鐵磁材料中一般不表現出反常霍爾效應。但是，當反鐵磁材料具有非共線磁結構時，也會產生非零的貝利曲率，從而表現出反常霍爾效應，如近幾年廣泛研究的非共線反鐵磁材料Mn3Sn，在室溫下表現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。另一方面，本征反常霍爾效應因為與貝利曲率相聯系，具有很高的可控性，因此成為下一代自旋電子學應用的重要選擇。
上海科技大學郭艷峰團隊長期通過探索磁性拓撲材料來研究反常霍爾效應。對三方晶系反鐵磁拓撲材料EuAl2Si2開展了量子輸運及第一性原理計算研究，結果顯示對該材料沿c軸方向施加4 T外磁場即可誘導從反鐵磁拓撲絕緣體到鐵磁外爾半金屬態的相變。深入分析發現，2 K、1.2 T時對應鐵磁外爾態的最大本征反常霍爾電導僅為151 S cm-1，與理論計算值非常接近，但與高達1.51 × 104 S cm-1的非本征反常霍爾電導相去甚遠(圖1)。隨后，該團隊與上海科技大學拓撲物理實驗室王文波團隊合作，利用磁力顯微鏡測量發現EuAl2Si2具有周期性平行排列的條紋狀磁疇結構，并且該周期受磁場調控，隨升場及降場過程呈現出可逆變化。通過對磁疇密度、磁化強度及非本征反常霍爾電導變化的標度，首次確定了一種新型反常霍爾效應產生機制——疇壁不對稱斜散射效應，即磁疇壁對布洛赫電子的不對稱斜散射貢獻了凈反常霍爾電導(圖2)，且由于散射系數在該材料費米能級附近存在外爾點時得到極大增強，使得EuAl2Si2表現出巨大的非本征反常霍爾電導，由此展示了一種新的反常霍爾效應產生機制。
在該研究中，為了確認EuAl2Si2的非平庸拓撲性，研究團隊利用SHMFF水冷磁體WM5開展了磁輸運測量，揭示在2 K及31 T磁場下該材料表現出1.37×103 %的不飽和磁阻。而當磁場大于4 T 時，Eu2+磁矩沿著外磁場方向完全自旋極化后則表現出明顯的磁阻量子振蕩。對量子振蕩數據分析表明了非平庸拓撲態的存在。與寧波材料研究所鐘志誠團隊，中國科學技術大學沈大偉團隊合作利用自旋極化態能帶計算及角分辨光電子能譜測量，進一步證明了該材料的非平庸拓撲性質，并發現自旋極化外爾態的外爾點在費米能級以下僅57 meV處。
該研究成果不僅揭示了一種新型反常霍爾效應產生機制，提供了一個具有巨大反常霍爾效應的反鐵磁材料，還展示了磁場可控的非本征反常霍爾效應，朝著探索非本征反常霍爾效應實際應用走出了堅實的一步。
圖1.a.EuAl2Si2的晶體結構示意圖(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隨磁場變化情況；f.極化態外爾點位置(紅圈)
圖2. 新型反常霍爾效應產生機制。a-i.平行排列的周期性條紋疇隨磁場變化情況；j. EuAl2Si2的反常霍爾電導與其它材料比較；k.磁疇及疇壁排示意圖；l.疇壁不對稱斜散射示意圖
圖3. EuAl2Si2高場輸運測量及分析結果。a.縱向磁阻，插圖為測量的示意圖；b.縱向磁阻的量子振蕩；c.分析的量子振蕩基本頻率；d-e.量子振蕩參數分析結果；f-g.量子振蕩轉角測量結果；h.提取的轉角量子振蕩基本頻率與計算的費米口袋對應關系；i.量子振蕩基本頻率的貝里相位
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