Science Advances: 非零貝里曲率的非線性反鐵磁Mn3Ge驅動下產生的大反常霍爾效應

引言：

鐵磁性物質具有反常的霍爾效應，因此沒有凈磁化強度的反鐵磁性物質應表現出正常霍爾效應。與鐵磁性物質相比，非線性三角反鐵磁性物質Mn3Ge與鐵磁性金屬有很大的反常霍爾效應。其來源于手性自旋結構所產生的非零貝里曲率；同時導致了一個更大的霍爾效應。

? ? ? ? ? ? 圖一：Mn3Ge的晶體結構、磁結構和貝里曲率

圖一給出了Mn3Ge的晶體結構、磁結構和貝里曲率。如圖一A：Mn3Ge的六邊形單元由兩層Mn沿著c軸方向堆疊。在每一層中，Mn原子形成Kagome晶格，Ge在一個六邊形的中心。通過計算Mn3Ge的磁基態，可以得出能量最低的自旋狀態，如圖一B。從圖一中可以看出，形成Mn3Ge的兩個磁層的原始單元可以關于xz平面鏡像對稱。圖一D是在xz平面上的計算值。分布很不均勻，并可以通過四個明顯的峰描述。這些峰存在的區域是導帶和價帶之間的帶隙。

材料制備：

化學計量的純元素進行稱重并在感應爐坩堝中融化。加熱到980°C，保溫1h，并緩慢冷卻至740°C。740°C退火15h。然后在氬氣中驟冷至室溫。樣品沿垂直于生長方向被切成五片。每個切片的尺寸約為6毫米，直徑為2毫米厚。

結果分析：

為探測Mn3Ge的AHE(反常霍爾效應)，測量了不同溫度（2K-400K）下霍爾效應隨磁場變化的函數曲線。在條件II下，的值顯小于條件I（圖2C）。盡管條件II中在2K時小于條件I，但當300K時二者出現一個相似的值（300K，=50Ω/cm）。在兩種條件下均隨溫度升高而降低。最后條件III，在所有溫度下的和都很小（圖2E、F）。除此之外,條件III與條件I、II的AHE測量結果恰好相反。

圖二：不同溫度（2K-400K）下和隨磁場變化的函數曲線

圖三：2K和300K下磁場沿不同方向時的磁學性能曲線

為證明本系統中大的AHE源于非線性反磁鐵自旋結構，對磁場方向平行于不同晶體方向的磁化強度進行了測量。當磁場平行于[2-1-10]時，2K時表現出微小的自發磁化0.005μB/Mn（圖3）。當磁場平行于[01-10]方向時，稍有增大。矯頑場小于20 Oe。300K和2K測得的數據相似，除了當磁場平行于[0001]方向時，高的磁化強度均急劇降低。

在無外加磁場的條件下觀察AHE發現，在零磁場的區域，每個磁疇（h-Mn3Ge內存在反鐵磁疇）內部霍爾電壓的方向不同，會使AHC消失。但磁場會使旋轉三角形旋轉至與平面內的電場分量相反。面內場的方向變換會使三角形的自旋結構中的交錯方向改變，進而導致霍爾電壓信號的異常變化。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖四：AHE的角度依賴性測量曲線

為確定小殘余面內鐵磁性元件對AHE沒有作用，我們進行了AHE對不同配置下角度依賴性的測量。從這些角度依賴性的測量，可以很容易地得出結論，小殘余面內鐵磁性元件，以及施加的磁場，沒有對Mn3Ge中AHE的觀察產生影響。

結論：

總之，在室溫下，即使不加任何外加磁場，非線性反鐵磁Mn3Ge依舊具有很大的AHE。Mn3Ge的大的反常霍爾效應的發現將會推進相關理論的研究。

該研究成果近期發表在Science Advances上，論文鏈接：
Large anomalous Hall effect driven by a nonvanishing Berry curvature in the noncolinear antiferromagnet Mn3Ge（非原網頁讀者請到材料牛下載）

本文由材料人編輯部學術組封蕾投稿，材料牛編輯整理。

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