北理工團(tuán)隊(duì)在反鐵磁面內(nèi)反常霍爾效應(yīng)的研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-04-27 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)在PT對(duì)稱（空間-時(shí)間反演聯(lián)合對(duì)稱）的反鐵磁體系中提出了面內(nèi)磁場(chǎng)誘導(dǎo)的反常霍爾效應(yīng)（IPAHE）。該項(xiàng)研究成果嚴(yán)格論證了在PT對(duì)稱反鐵磁體系中實(shí)現(xiàn)IPAHE的最低對(duì)稱性要求，詳細(xì)列出了所有滿足條件的磁點(diǎn)群，提供了有效地搜索和設(shè)計(jì)具有IPAHE的反鐵磁材料的方法，將促進(jìn)它們?cè)诘凸淖孕娮訉W(xué)上的應(yīng)用。相關(guān)成果近期發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。
反常霍爾效應(yīng)，磁性材料中最基本的輸運(yùn)現(xiàn)象之一，不僅是諸多低功耗量子效應(yīng)的物理原型，也是拓?fù)淞孔游飸B(tài)的重要基石。姚裕貴教授二十年來一直致力于該效應(yīng)的研究，在該領(lǐng)域做出過開拓性的工作，比如率先發(fā)展了反常霍爾效應(yīng)的第一性原理計(jì)算方法；定量研究了反常霍爾效應(yīng)中基于貝里曲率的內(nèi)稟機(jī)制，糾正了之前“外在機(jī)制占主導(dǎo)，內(nèi)稟機(jī)制不重要”的普遍看法，顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)并被獨(dú)立實(shí)驗(yàn)證實(shí)[Phys. Rev. Lett. 92, 037204 (2004)]；部分成果被寫進(jìn)了M. P. Marder的流行教科書《Condensed Matter Physics》；推動(dòng)了該領(lǐng)域的迅速發(fā)展。在通常的反常霍爾效應(yīng)中，磁場(chǎng)/磁化、電場(chǎng)和霍爾電流相互垂直。近期理論研究發(fā)現(xiàn)，面內(nèi)的磁化也可以導(dǎo)致反常霍爾效應(yīng)，（稱為面內(nèi)反常霍爾效應(yīng)，IPAHE），然而以往IPAHE的研究主要關(guān)注具有非零磁化的鐵磁或者亞鐵磁系統(tǒng)。在應(yīng)用上，凈磁化為零的反鐵磁系統(tǒng)相比鐵磁或亞鐵磁系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，如較強(qiáng)的抗磁場(chǎng)干擾、較快的自旋動(dòng)力學(xué)、以及較高的堆積密度。那么，反鐵磁系統(tǒng)中是否也存在新奇的IPAHE值得深入研究。
最近，姚等人提出了在反鐵磁系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)IPAHE的對(duì)稱性條件，并給出了實(shí)驗(yàn)上切實(shí)可行的材料搜索和設(shè)計(jì)的方案。針對(duì)一大類PT對(duì)稱的反鐵磁系統(tǒng)，他們發(fā)現(xiàn)面內(nèi)的磁場(chǎng)通過自旋傾斜效應(yīng)可以誘導(dǎo)面外貝里曲率，進(jìn)而產(chǎn)生大的IPAHE，如圖1所示。他們給出了包含PT對(duì)稱反鐵磁體系在內(nèi)的所有可能荷載IPAHE的磁點(diǎn)群列表。在材料實(shí)現(xiàn)方面，他們給出了兩種有效可行的方案：一種是通過調(diào)控現(xiàn)有的材料來滿足對(duì)稱性要求，即自上而下的方法；另一種方法是通過設(shè)計(jì)新材料來滿足對(duì)稱性的要求，即自下而上的方法。他們選取了兩類代表性的材料（CuMnAs和新型的VS2-VS超晶格）為例進(jìn)行了第一性原理的計(jì)算，并討論了面內(nèi)反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探測(cè)，如圖2所示。此外，理論與實(shí)驗(yàn)合作的VS2-VS超晶格中面內(nèi)反常霍爾效應(yīng)的工作去年已發(fā)表在《自然》雜志上 [Nature 609, 46 (2022)]。
圖1: 在PT對(duì)稱的反鐵磁系統(tǒng)中產(chǎn)生面內(nèi)反常霍爾效應(yīng)的示意圖。
圖2: 應(yīng)力下CuMnAs和VS2-VS超晶格中的面內(nèi)和面外的反常霍爾電導(dǎo)率。
該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目的支持。北京理工大學(xué)博士生曹晉和蔣偉教授為共同第一作者，強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心周建輝研究員和北京理工大學(xué)姚裕貴教授為共同通訊作者。北京理工大學(xué)周家東教授、李小平博士以及強(qiáng)磁場(chǎng)中心博士生涂岱峰為論文的合作者。
論文信息：Jin Cao, Wei Jiang, Xiao-Ping Li, Daifeng Tu, Jiadong Zhou, Jianhui Zhou, and Yugui Yao, "In-Plane Anomalous Hall Effect in PT-Symmetric Antiferromagnetic Materials", Phys. Rev. Lett. 130, 166702 (2023)
文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.166702
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