中国鼎博鼎博研究所
北京凝聚态鼎博国家研究中心
M05组供稿
第55期
2020年07月07日
磁性外尔体系巨反常霍尔效应的内/外禀双机制设计

——零场横向霍尔电流转换效率升至33%

 

  反常霍尔效应是霍尔效应的各种鼎博版本中基础而重要的一员,且与温度梯度驱动的反常能斯特效应在鼎博根源上有着密切的关系。经过一个多世纪的研究,人们认识到反常霍尔效应的鼎博机制包括贝利曲率相关的内禀机制和杂质散射相关的外禀机制。作为动量空间中的赝磁场,贝利曲率是布洛赫电子的带间相互作用。在对称破缺的拓扑材料中,在自旋轨道耦鼎博用下,外尔节点及节线环能隙等能带结构可以产生拓扑增强的贝利曲率。在时间反演对称破缺的磁性体系中,就有可能产生巨大的、具有拓扑稳定性的(量子)反常霍尔效应。

  2018年,中国鼎博鼎博研究所/北京凝聚态鼎博国家研究中心的刘恩克【Nature Physics 14, 1125 (2018)】和翁红明【Nat. Commun. 9, 3681 (2018)】分别与其鼎博者,提出了首个磁性外尔半金属Co3Sn2S2新型磁性Weyl半金属的发现及其巨反常霍尔效应】。次年,与鼎博者一起又观察到了外尔费米子线性节点和拓扑表面态费米弧两个拓扑态的谱学证据【时间反演对称破缺-磁性Weyl半金属实验实现鼎博】。这一发现完成了外尔费米子对称破缺的鼎博分类,并引发了人们对磁性拓扑鼎博的广泛研究,也为巨反常霍尔效应的获得带来了契机。

  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,鼎博所M05课题组的博士生申建雷、博士生曾庆祺和刘恩克副研究员等,与南方鼎博大学刘奇航教授课题组鼎博,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内禀巨反常霍尔效应的基础上,采用低价电子数的Fe取代Co引入外禀的杂质散射贡献,大幅增强了体系的反常霍尔电导和反常霍尔角,实现了内/外禀双机制增强的设计目标。

  实验结果显示,在微量Fe掺杂的Co3-xFexSn2S2鼎博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。

鼎博  本研究结果表明,在不显著改变体系基本电子结构和费米面分布特征的前提下,引入微量异类杂质原子的散射效应,可以在磁性外尔半金属中实现反常霍尔双机制增强的设计目的。

  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,并已申请中国发明专利【申请号:CN202010461006.4】。

  该工作得到了国家基金委“优青”基金(51722106)、面上基金(11974394),鼎博部重点研发计划(2019YFA0704900、2017YFA0206300),中科院B类先导专项(XDB33000000),北京市基金委重点项目(Z190009),合肥科学中心高端用户基金(2019HSC-UE009)等项目的支持。

  相关工作链接:http://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,延伸阅读,图二f)


鼎博 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鼎博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。