中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
M05組供稿
第55期
2020年07月07日
磁性外爾體系巨反常霍爾效應的內/外禀雙機制設計

——零場橫向霍爾電流轉換效率升至33%

 

  反常霍爾效應是霍爾效應的各種物理版本中基礎而重要的一員,且與溫度梯度驅動的反常能斯特效應在物理根源上有著密切的關系。經過一個多世紀的研究,人們認識到反常霍爾效應的物理機制包括貝利曲率相關的內禀機制和雜質散射相關的外禀機制。作爲動量空間中的赝磁場,貝利曲率是布洛赫電子的帶間相互作用。在對稱破缺的拓撲材料中,在自旋軌道耦合作用下,外爾節點及節線環能隙等能帶結構可以産生拓撲增強的貝利曲率。在時間反演對稱破缺的磁性體系中,就有可能産生巨大的、具有拓撲穩定性的(量子)反常霍爾效應。

  2018年,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的刘恩克【Nature Physics 14, 1125 (2018)】和翁红明【Nat. Commun. 9, 3681 (2018)】分别与其合作者,提出了首个磁性外尔半金属Co3Sn2S2新型磁性Weyl半金屬的發現及其巨反常霍爾效應】。次年,與合作者一起又觀察到了外爾費米子線性節點和拓撲表面態費米弧兩個拓撲態的譜學證據【時間反演對稱破缺-磁性Weyl半金屬實驗實現】。這一發現完成了外爾費米子對稱破缺的物理分類,並引發了人們對磁性拓撲物理的廣泛研究,也爲巨反常霍爾效應的獲得帶來了契機。

  该材料费米能级附近存在3对外尔点和3对带能隙的节线环,可以产生强的贝利曲率分布,使得该材料展现出大的内禀反常霍尔电导(1130 S/cm)和大的反常霍尔角(20%),二者均比常规磁性材料高一个数量级(常规磁性材料反常霍尔电导:100-200 S/cm、反常霍尔角:2-3%)。同时,理论计算进一步显示,Co3Sn2S2的费米能级及以下存在一个宽约100 meV、高达1000 S/cm反常霍尔电导平台(图1,绿线所示)。这意味着,如果在体系中引入少量的p型载流子掺杂,费米能级的下移可保持在该平台所处的能量范围之内,其内禀反常霍尔电导将维持不变。与此同时,体系内可能会引发异类杂质的散射效应,产生反常霍尔效应的外禀贡献(图1,红线所示),从而实现反常霍尔效应的总体提升。

  基于上述思想,最近,物理所M05课题组的博士生申建雷、博士生曾庆祺和刘恩克副研究員等,与南方科技大学刘奇航教授课题组合作,在磁性拓扑材料巨反常霍尔效应的调控方面取得了新的进展。他们在磁性外尔半金属Co3Sn2S2內禀巨反常霍爾效應的基礎上,采用低價電子數的Fe取代Co引入外禀的雜質散射貢獻,大幅增強了體系的反常霍爾電導和反常霍爾角,實現了內/外禀雙機制增強的設計目標。

  實驗結果顯示,在微量Fe摻雜的Co3-xFexSn2S2中最大的零场反常霍尔电导可达1850 S/cm,零场反常霍尔角可达33%(图2)。霍尔角对应着纵向电流向霍尔电流的转换效率,这意味着在零磁场下将有高达1/3的纵向驱动(外尔电子)电流转换为横向霍尔电流。这个效率也是迄今所有报道的磁性材料中的最高值,且从低温至居里温度的宽温域内均保持着较大的数值。进一步采用TYJ模型对反常霍尔效应的内、外禀成分进行分离(图3),结果显示体系的内禀反常霍尔电导随微量Fe掺杂的增加而略有上升,与理论计算的内禀结果一致。与此形成鲜明对比,外禀贡献随着微量Fe掺杂的引入而迅速攀升,增量高达1000 S/cm,且其主要来源于螺旋散射机制。

  本研究結果表明,在不顯著改變體系基本電子結構和費米面分布特征的前提下,引入微量異類雜質原子的散射效應,可以在磁性外爾半金屬中實現反常霍爾雙機制增強的設計目的。

  该工作有助于推动新兴磁性拓扑材料在拓扑自旋电子学、磁传感、电热换能等方面的潜在应用,所提出的双机制增强思路可为其他磁性拓扑材料的大反常霍尔及大反常能斯特效应的设计和开发提供重要借鉴。相关内容以题名为“33% Giant Anomalous Hall Current Driven by Both Intrinsic and Extrinsic Contributions in Magnetic Weyl Semimetal Co3Sn2S2”发表在《Advanced Functional Materials》杂志上,并已申请中国发明專利【申请号:CN202010461006.4】。

  該工作得到了國家基金委“優青”基金(51722106)、面上基金(11974394),科技部重點研發計劃(2019YFA0704900、2017YFA0206300),中科院B類先導專項(XDB33000000),北京市基金委重點項目(Z190009),合肥科學中心高端用戶基金(2019HSC-UE009)等項目的支持。

  相關工作鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202000830


图1. 基于磁性外尔半金属的内/外禀双机制增强设计示意(反常霍尔电导平台来自于前期的理论计算,延伸閱讀,圖二f)


图2. 实验获得的反常霍尔电导、反常霍尔角(横向电流转换效率)与常规反常霍尔材料的对比。


图3. (a) Co3-xFexSn2S2体系反常霍尔效应的TYJ模型拟合。(b) 在10 K分离提取出的内、外禀反常霍尔电导。(c) x=0.05合金的内、外禀反常霍尔电导的温度依赖趋势。(d) 该体系中内、外禀反常霍尔电导温度分布规律示意。