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仪表网 研发快讯】近期，稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户上海科技大学郭艳峰团队与中国科学院合肥物质院强磁场中心合作，依托SHMFF的水冷磁体WM5对三方晶系反铁磁拓扑材料EuAl2Si2进行了量子输运研究，揭示了一种新型反常霍尔效应产生机制。该成果于2024年11月21日发表在权威物理期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
时间反演对称性破缺的磁性材料中，本征反常霍尔电导由非零的贝里曲率产生，通常正比于磁化强度，因此反铁磁材料中一般不表现出反常霍尔效应。但是，当反铁磁材料具有非共线磁结构时，也会产生非零的贝利曲率，从而表现出反常霍尔效应，如近几年广泛研究的非共线反铁磁材料Mn3Sn，在室温下表现出与很多铁磁材料相比拟的大于100 S cm-1的反常霍尔电导。另一方面，本征反常霍尔效应因为与贝利曲率相联系，具有很高的可控性，因此成为下一代自旋电子学应用的重要选择。
上海科技大学郭艳峰团队长期通过探索磁性拓扑材料来研究反常霍尔效应。对三方晶系反铁磁拓扑材料EuAl2Si2开展了量子输运及第一性原理计算研究，结果显示对该材料沿c轴方向施加4 T外磁场即可诱导从反铁磁拓扑绝缘体到铁磁外尔半金属态的相变。深入分析发现，2 K、1.2 T时对应铁磁外尔态的最大本征反常霍尔电导仅为151 S cm-1，与理论计算值非常接近，但与高达1.51 × 104 S cm-1的非本征反常霍尔电导相去甚远(图1)。随后，该团队与上海科技大学拓扑物理实验室王文波团队合作，利用磁力显微镜测量发现EuAl2Si2具有周期性平行排列的条纹状磁畴结构，并且该周期受磁场调控，随升场及降场过程呈现出可逆变化。通过对磁畴密度、磁化强度及非本征反常霍尔电导变化的标度，首次确定了一种新型反常霍尔效应产生机制——畴壁不对称斜散射效应，即磁畴壁对布洛赫电子的不对称斜散射贡献了净反常霍尔电导(图2)，且由于散射系数在该材料费米能级附近存在外尔点时得到极大增强，使得EuAl2Si2表现出巨大的非本征反常霍尔电导，由此展示了一种新的反常霍尔效应产生机制。
在该研究中，为了确认EuAl2Si2的非平庸拓扑性，研究团队利用SHMFF水冷磁体WM5开展了磁输运测量，揭示在2 K及31 T磁场下该材料表现出1.37×103 %的不饱和磁阻。而当磁场大于4 T 时，Eu2+磁矩沿着外磁场方向完全自旋极化后则表现出明显的磁阻量子振荡。对量子振荡数据分析表明了非平庸拓扑态的存在。与宁波材料研究所钟志诚团队，中国科学技术大学沈大伟团队合作利用自旋极化态能带计算及角分辨光电子能谱测量，进一步证明了该材料的非平庸拓扑性质，并发现自旋极化外尔态的外尔点在费米能级以下仅57 meV处。
该研究成果不仅揭示了一种新型反常霍尔效应产生机制，提供了一个具有巨大反常霍尔效应的反铁磁材料，还展示了磁场可控的非本征反常霍尔效应，朝着探索非本征反常霍尔效应实际应用走出了坚实的一步。
图1.a.EuAl2Si2的晶体结构示意图(箭头表示自旋方向)；b.横向霍尔电阻率；c.霍尔电阻率分析结果；d.非本征反常霍尔电阻率随温度变化情况；e.本征与非本征反常霍尔电导随磁场变化情况；f.极化态外尔点位置(红圈)
图2. 新型反常霍尔效应产生机制。a-i.平行排列的周期性条纹畴随磁场变化情况；j. EuAl2Si2的反常霍尔电导与其它材料比较；k.磁畴及畴壁排示意图；l.畴壁不对称斜散射示意图
图3. EuAl2Si2高场输运测量及分析结果。a.纵向磁阻，插图为测量的示意图；b.纵向磁阻的量子振荡；c.分析的量子振荡基本频率；d-e.量子振荡参数分析结果；f-g.量子振荡转角测量结果；h.提取的转角量子振荡基本频率与计算的费米口袋对应关系；i.量子振荡基本频率的贝里相位
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