六方極性磁體 Gd$_3$Ni$_8$Sn$_4$ 中的大型反常霍爾效應和 A 相

核心概念

這項研究證明了金屬極性磁體是實現拓撲 A 相和探索倒易空間介導的新興電動力學響應的有利背景。

摘要

Gd3Ni8Sn4 中的大型反常霍爾效應和 A 相

簡介

這篇研究論文探討了 Gd3Ni8Sn4 中大型內稟反常霍爾效應和延伸拓撲磁序的存在，Gd3Ni8Sn4 是一種具有六方 C6v 對稱性的材料。作者強調，雖然理論研究預測非共線極性磁體在實現拓撲磁相和顯著的內稟反常霍爾電導率方面具有潛力，但迄今為止，在強關聯系統中的實驗實現仍然很少見。

結果

透過詳細的實驗研究，包括直流熱磁測量、比熱分析、縱向電阻率和霍爾效應測量，作者證明了 Gd3Ni8Sn4 中存在拓撲 A 相。觀察到拓撲霍爾響應，並得到等溫磁化中的變磁異常、交流磁化率的場演化中的峰值/駝峰特徵以及縱向電阻率的佐證，證明了斯格明子 A 相的穩定性。作者進一步證明，反常霍爾效應可以透過內稟貝里曲率介導機制來定量解釋。

意義

這些發現確立了極性磁體作為一個有前途的平台，用於研究大量基於磁性和拓撲之間相互作用的新興電動力學響應。作者認為，R3T8Sn4 系列材料中固有的破缺反演對稱性提供了一個引人注目的框架，用於探索非平凡的體電子能帶拓撲和非共線磁序。

未來方向

該研究提倡對相關極性磁體進行進一步的實驗和理論研究，以揭示倒易空間介導的電磁場和磁化動力學之間的複雜相互作用，從而利用拓撲功能。

统计

在 T = 2 K 時，σA xy,int 佔 σA xy 的 71%。
在 14 K 時，ρT xy 的最大值為 0.32 µΩcm（σT xy ∼253 Scm−1）。
Gd3Ni8Sn4 在 Happ = 10 mT 下的居里溫度 (TC) 為 24 K。
Gd3Ni8Sn4 的有效順磁矩 (µeff) 為 8.11µB/Gd+3 離子。
Gd3Ni8Sn4 的外斯溫度 (ΘCW) 約為 18 K。

引用

"雖然最近的理論研究已將具有 Cnv 對稱性的非共線極性磁體定位為實現拓撲磁相和顯著的內稟反常霍爾電導率的有力候選者，但在強關聯系統中對其進行實驗實現仍然很少見。"
"我們的結果強調了極性磁體作為一個有前途的平台，用於研究大量基於磁性和拓撲之間相互作用的新興電動力學響應。"
"我們的發現提倡對相關極性磁體進行進一步的實驗和理論研究，以揭示倒易空間介導的電磁場和磁化動力學之間的複雜相互作用，從而利用拓撲功能。"

从中提取的关键见解

Large anomalous Hall effect and \textit{A}-phase in hexagonal polar magnet Gd$_3$Ni$_8$Sn$_4$

by Arnab Bhatta... 在 arxiv.org 11-15-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.09300.pdf

更深入的查询

這項研究的結果如何推動我們對其他強關聯系統中拓撲磁相的理解？

這項研究通過展示在非中心對稱極性磁體 Gd3Ni8Sn4 中，拓撲 A 相與強關聯電子系統中的非平庸電子能帶拓撲結構之間的複雜相互作用，增進了我們對拓撲磁相的理解。具體來說，該研究揭示了以下幾點：

拓撲磁序與電子結構的交互作用: Gd3Ni8Sn4 中觀察到的巨大本質反常霍爾效應表明，其起源於貝里曲率，這意味著電子結構中存在著非平庸的拓撲性質。這種拓撲性質與材料的非共線磁序（如 A 相）相互作用，導致了獨特的電磁響應。
Cnv 對稱性材料作為拓撲磁性平台: 這項研究強調了具有 Cnv 對稱性的極性磁體是探索拓撲磁性相的有潛力平台。與主要關注於中心對稱材料的先前研究不同，這項研究強調了晶體對稱性在穩定拓撲磁序（如 A 相）中的關鍵作用。
強關聯效應: Gd3Ni8Sn4 作為一種強關聯電子系統，為研究強關聯效應如何影響拓撲磁序及其相關現象提供了獨特的機會。例如，f-d 電子耦合在穩定 A 相和產生拓撲霍爾效應中可能扮演著重要角色。

這些發現鼓勵人們進一步研究其他具有強關聯效應的非中心對稱材料，以探索拓撲磁序與電子結構之間更豐富的相互作用。

是否存在其他材料系統可以提供對極性磁體中拓撲 A 相和相關現象的更深入了解？

除了 R3T8Sn4 系列之外，還有其他一些材料系統可以為極性磁體中的拓撲 A 相和相關現象提供更深入的了解：

非中心對稱 Kagome 材料: 這些材料具有獨特的晶體結構和電子特性，可以產生非平庸的磁序和拓撲電子態。例如，最近的研究表明，Kagome 材料 Mn3Sn 和 Fe3Sn2 中存在著巨大的反常霍爾效應和拓撲霍爾效應，這表明可能存在拓撲磁序。
手性磁體: 這些材料缺乏空間反演對稱性，並且可以表現出螺旋磁序和拓撲磁結構，如磁性斯格米子。例如，B20 化合物 MnSi 和 FeGe 是研究拓撲磁性的原型材料，它們在低溫下表現出 A 相和拓撲霍爾效應。
層狀范德華磁體: 這些材料由原子層堆疊而成，層間結合力較弱，這為調控磁性和拓撲性質提供了獨特的機會。例如，最近在 CrI3 和 Fe3GeTe2 等層狀范德華磁體中觀察到了拓撲磁序和相關現象。

通過研究這些不同的材料系統，我們可以更全面地了解極性磁體中拓撲 A 相的形成機制、穩定性以及其與其他電子特性之間的關係。

這些發現對開發基於拓撲磁性的新型自旋電子器件有何影響？

Gd3Ni8Sn4 中拓撲 A 相和巨大本質反常霍爾效應的發現，為開發基於拓撲磁性的新型自旋電子器件帶來了以下幾個方面的影響：

低功耗自旋電子器件: 拓撲磁結構，如 A 相，具有拓撲保護性，可以通過電流以極低的能量消耗進行操控。這為開發低功耗、高效率的自旋電子器件，如磁性隨機存取記憶體（MRAM）和邏輯器件，提供了新的可能性。
新型自旋電流產生器: 巨大的反常霍爾效應表明，Gd3Ni8Sn4 可以有效地將電流轉換為自旋電流。這使得該材料成為開發新型自旋電流產生器的潛在候選材料，可用於自旋扭矩器件和自旋波器件等應用。
拓撲自旋電子學: 這項研究促進了對拓撲磁性的理解，並為探索拓撲自旋電子學的新方向鋪平了道路。例如，可以利用拓撲磁結構來實現新型自旋電子器件，如拓撲自旋場效應電晶體和拓撲自旋邏輯器件。

然而，要將這些發現轉化為實際應用，還需要克服一些挑戰，例如需要在室溫下實現穩定的拓撲磁序，以及需要開發與現有半導體技術相容的材料製備和器件加工技術。