【儀表網 研發(fā)快訊】近期，穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶上?？萍即髮W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?；魻栃a生機制。該成果于2024年11月21日發(fā)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?；魻栯妼в煞橇愕呢惱锴十a生，通常正比于磁化強度，因此反鐵磁材料中一般不表現(xiàn)出反?；魻栃?。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(xiàn)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(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。另一方面，本征反?；魻栃驗榕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應用的重要選擇。
 

　　上?？萍即髮W郭艷峰團隊長期通過探索磁性拓撲材料來研究反?；魻栃θ骄捣磋F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(tài)的相變。深入分析發(fā)現(xiàn)，2 K、1.2 T時對應鐵磁外爾態(tài)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?；魻栯妼嗳ド踹h(圖1)。隨后，該團隊與上?？萍即髮W拓撲物理實驗室王文波團隊合作，利用磁力顯微鏡測量發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出可逆變化。通過對磁疇密度、磁化強度及非本征反?；魻栯妼ё兓臉硕?，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?；魻栯妼?圖2)，且由于散射系數(shù)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(xiàn)出巨大的非本征反?；魻栯妼?，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(xiàn)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(xiàn)出明顯的磁阻量子振蕩。對量子振蕩數(shù)據(jù)分析表明了非平庸拓撲態(tài)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(tài)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(fā)現(xiàn)自旋極化外爾態(tài)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?；魻栃a生機制，提供了一個具有巨大反?；魻栃姆磋F磁材料，還展示了磁場可控的非本征反?；魻栃?，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(tài)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?；魻栯妼c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(shù)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