場致外爾半金屬候選材料 HoAuSn 中大負磁阻的角依賴性研究

核心概念

反鐵磁半赫斯勒化合物 HoAuSn 在磁場作用下會產生從半導體到外爾半金屬的拓撲相變，導致出現近 100% 的巨負磁阻效應，且該效應與電流和磁場之間的夾角有關。

摘要

文獻信息：

Lu, Y., Chen, J., Zhou, F., Lau, Y.-C., Wiśniewski, P., Kaczorowski, D., Xi, X., & Wang, W. (n.d.). Angular dependence of large negative magnetoresistance in a field-induced Weyl semimetal candidate HoAuSn.

研究目標：

本研究旨在探討反鐵磁半赫斯勒化合物 HoAuSn 中出現巨負磁阻效應的物理機制，並分析其與電流和磁場之間夾角的關係。

研究方法：

• 採用自熔劑法生長 HoAuSn 單晶。
• 利用 X 射線衍射儀、掃描透射電子顯微鏡等手段對樣品進行結構表徵。
• 進行磁性和磁輸運測量，包括磁化強度、電阻率等，並分析其在不同溫度和磁場下的變化規律。
• 採用基於密度泛函理論的第一性原理計算，研究 HoAuSn 的電子能帶結構和費米面，以解釋實驗結果。

主要發現：

• HoAuSn 在低溫下表現出半導體特性，隨著磁場的增加，電阻率急劇下降，在 9 T 磁場下可達 99% 的巨負磁阻效應。
• 該巨負磁阻效應在高達 20 K 的溫度下仍然存在，遠高於其奈爾溫度（1.9 K）。
• 負磁阻效應的幅度與電流和磁場之間的夾角有關，當電流和磁場平行時，負磁阻效應最大。
• 第一性原理計算表明，HoAuSn 在無磁場時為拓撲平庸的半金屬，但在磁場作用下會發生從半導體到外爾半金屬的拓撲相變，從而產生外爾點，導致出現手性反常和巨負磁阻效應。

主要結論：

• HoAuSn 中的巨負磁阻效應源於磁場誘導的拓撲相變和手性反常。
• 電流和磁場之間的夾角對負磁阻效應的幅度有顯著影響。
• 本研究為探索新型巨負磁阻材料和進一步理解外爾半金屬的物理特性提供了新的思路。

研究意義：

本研究揭示了 HoAuSn 中巨負磁阻效應的物理機制，為開發新型磁傳感器和自旋電子器件提供了潛在材料，並促進了對外爾半金屬物理特性的深入理解。

研究局限和未來方向：

• 未來可以進一步研究其他反鐵磁半赫斯勒化合物中是否存在類似的巨負磁阻效應。
• 可以通過改變 HoAuSn 的組分或施加壓力等手段來調節其電子結構和磁性，以期獲得更大的負磁阻效應。

統計資料

在 9 T 磁場下，HoAuSn 的負磁阻效應可達 99%。
該巨負磁阻效應在高達 20 K 的溫度下仍然存在，遠高於其奈爾溫度（1.9 K）。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Angular dependence of large negative magnetoresistance in a field-induced Weyl semimetal candidate HoAuSn

by Yue Lu, Jie ... 於 arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14140.pdf

深入探究

其他類型的磁性材料，例如鐵磁材料或亞鐵磁材料，是否也可能表現出與 HoAuSn 類似的巨負磁阻效應？

是的，其他類型的磁性材料，例如鐵磁材料或亞鐵磁材料，也可能表現出與 HoAuSn 類似的巨負磁阻效應，但背後的物理機制可能有所不同。

鐵磁材料： 一些鐵磁材料在磁場作用下可以經歷磁疇壁移動或自旋重取向，從而導致電阻率下降，產生負磁阻效應。例如，在某些鐵磁材料中觀察到的各向異性磁阻 (AMR) 效應就屬於這一類。此外，一些鐵磁材料在低溫下會表現出 Kondo 效應，這也可能導致巨負磁阻。
亞鐵磁材料： 亞鐵磁材料具有兩個或多個磁亞晶格，它們的自旋磁矩不完全抵消。在外部磁場作用下，亞鐵磁材料的磁結構可能會發生變化，例如自旋翻轉或自旋傾斜，從而影響電子的輸運性質，產生負磁阻效應。
需要注意的是，巨負磁阻效應的出現需要滿足一些特定的條件，例如：

強的自旋軌道耦合： 強的自旋軌道耦合可以增強自旋相關散射，從而放大磁場對電阻率的影響。
特殊的能帶結構： 例如，具有狄拉克點或外爾點的能帶結構有利於產生手性異常，從而導致巨負磁阻。
低缺陷濃度： 缺陷會增強電子散射，從而抑制負磁阻效應。
因此，並非所有鐵磁材料或亞鐵磁材料都能表現出巨負磁阻效應。尋找具有特定結構和組成的材料，並通過調控其磁性和電子結構，是實現巨負磁阻效應的關鍵。

如果將 HoAuSn 製成薄膜或納米結構，其巨負磁阻效應是否會受到影響？

是的，將 HoAuSn 製成薄膜或納米結構後，其巨負磁阻效應可能會受到影響，主要原因如下：

表面效應： 納米材料具有較高的表面積與體積比，表面原子配位數不足，導致表面態增多，會影響電子的輸運性質。表面散射會增強電阻率，從而可能減弱負磁阻效應。
量子尺寸效應： 當材料的尺寸減小到與電子的費米波長相當時，量子尺寸效應會變得顯著，導致能帶結構發生變化，從而影響材料的電學和磁學性質。這可能會增強或減弱負磁阻效應，具體取決於材料的能帶結構變化。
界面效應： 在薄膜或異質結構中，界面處的晶格失配、應變和電荷轉移等效應會影響電子的輸運，從而影響負磁阻效應。
然而，將 HoAuSn 製成薄膜或納米結構也可能帶來一些積極的影響：

增強自旋軌道耦合： 在某些情況下，表面和界面效應可以增強自旋軌道耦合，從而有利於負磁阻效應的出現。
調控能帶結構： 通過控制薄膜的厚度或納米結構的尺寸和形狀，可以有效地調控材料的能帶結構，從而增強負磁阻效應。
總之，將 HoAuSn 製成薄膜或納米結構後，其巨負磁阻效應可能會受到多種因素的影響。需要通過精確控制材料的尺寸、形貌和界面特性，才能充分利用其優勢，並抑制負面影響。

巨負磁阻效應的發現對未來自旋電子學和量子計算領域的發展有何潛在影響？

巨負磁阻效應的發現，特別是在像 HoAuSn 這樣的反鐵磁材料中的發現，對未來自旋電子學和量子計算領域的發展具有重要的潛在影響：
自旋電子學:

低功耗自旋電子器件: 巨負磁阻材料可以用於開發低功耗的自旋電子器件，例如磁傳感器、磁隨機存取存儲器 (MRAM) 和自旋邏輯器件。與傳統的基於電荷的電子器件相比，自旋電子器件具有功耗低、速度快、集成度高等優勢。
新型自旋閥和磁隧道結: 巨負磁阻材料可以作為自旋閥或磁隧道結中的自由層或參考層，實現更高的磁電阻比和更低的开关电流，从而提高器件性能。
反鐵磁自旋电子学: 与传统的铁磁材料相比，反铁磁材料具有更快的自旋动力学、对外部磁场的稳定性更高，以及更低的磁 stray field。利用反铁磁材料中的巨负磁阻效应，可以开发出新型的反铁磁自旋电子器件，例如反铁磁 MRAM 和反铁磁逻辑器件。
量子計算:

拓扑量子计算: 一些巨负磁阻材料，例如外尔半金属，具有非平庸的拓扑性质，可以用来构建拓扑量子比特。拓扑量子比特对环境噪声具有更高的容忍度，是实现容错量子计算的 promising candidate。
自旋量子比特: 巨负磁阻材料可以用来操控和读取自旋量子比特的状态，例如利用自旋轨道耦合效应实现电控自旋量子比特。
总而言之，巨负磁阻效应的发现为自旋电子学和量子计算领域的发展提供了新的机遇。随着对巨负磁阻效应的深入研究和材料制备技术的进步，我们可以期待在未来看到更多基于巨负磁阻效应的新型器件和应用。