Kondofysik i antiferromagnetiske Weyl -halvmetalfilm

Nye kvantematerialer kan defineres ved topologi og stærke elektronkorrelationer, selvom deres anvendelser i eksperimentelle systemer er relativt begrænsede. Weyl -halvmetaller, der inkorporerer magnetisme, tilbyder en unik og frugtbar platform til at udforske nye fænomener inden for udvikling af topologisk stof og topologisk spintronik. Den trekantede antiferromagnet Mn ₃ Sn udviser mange eksotiske fysiske egenskaber som et antiferromagnetisk (AFM) Weyl semimetal (WSM), herunder en attraktivt stor spontan Hall -effekt.

Den spontane Hall-effekt blev opdaget for mere end et århundrede siden og forstået i form af tidsomvendt symmetri, der brydes af den interne spinstruktur af antiferromagnetisk, ferromagnetiske eller skyrmioniske (små hvirvlende topologiske defekter i magnetiseringen) former.

I en ny rapport nu offentliggjort den Videnskab fremskridt , Durga Khadka og et team af forskere i fysik, materialevidenskab, neutronforskning og teknik i USA rapporterede syntesen af ​​epitaxial Mn _3+x Sn _{1 − x} film med sammensætninger, der ligner bulkprøver. Da de erstattede tin (Sn) atomer med magnetiske mangan (Mn) atomer i prøverne, de noterede sig Kondo -effekten; et berømt eksempel på stærke korrelationer, der opstår, udvikle derefter sammenhæng og fremkalde et hybridiseringsenergigab. Processen med magnetisk doping og åbning af huller muliggjorde rige ekstraordinære egenskaber for de nye materialer.

Weyl -halvmetaller og Kondo -effekten

Materialeforskere studerer båndstrukturens topologi og design af materialer som en stadig vigtigere funktion, der bidrager til mange eksotiske adfærd i nye kvantematerialer. Båndteorien eller båndstrukturen definerer kvantemekanisk adfærd af elektroner i faste stoffer. Båndstruktur-topologi er afgørende for at forstå udviklingen af ​​spalteløse topologiske halvmetaller såsom Weyl-halvmetaller (WSM'er) og Dirac-halvmetaller, der er tredimensionelle (3-D) analoger af grafen.

Weyl semimetaller er krystaller i fast tilstand med lavenergi -excitationer kendt som Weyl fermioner, der bærer elektrisk ladning under stuetemperatur. WSM'ernes lednings- og valensbånd krydser på bestemte punkter i momentumrummet, kendt som Weyl -noder, og deres mellemrum dikterer igen størrelsen af ​​den iboende anomaliske Hall-effekt-en effekt observeret i faste stoffer med brudt tidsomvendt symmetri eller bevarelse af entropi. Weyl-noder fremstår som ikke-degenererede par med modsat kiralitet. Arbejdet hidtil med WSM'er har fokuseret på svagt interagerende systemer med et stigende behov for at inkludere virkningerne af stærke elektronkorrelationer. Kondo -effekten er et klassisk eksempel på stærkt korreleret adfærd, der stammer fra koblingen mellem spinninger af ledningselektroner og lokale magnetiske øjeblikke. Dette arbejde foreslår WSM'er som en frugtbar platform til at studere nye kvantefaser på grund af samspillet mellem Weyl og Kondo fysik.

Holdet valgte det antiferromagnetiske Weyl semimagnetiske metal (WSM) Mn ₃ Sn som et lovende materiale til at studere begreberne. I Mn ₃ Sn sekskantet struktur, Mn-atomerne dannede et 2-D Kagome-gitter (et vævet mønster sammensat af sammenflettede trekanter) med Sn-atomer siddende i sekskantcentrene. Forskerne brugte vinkelopløste fotoemissionsspektroskopi (ARPES) målinger til at observere de strukturelle træk. De fremragende topologiske og spintroniske egenskaber sammen med stærke korrelationer gjorde Mn ₃ Sn en ideel platform til at studere mangefacetteret fysik mellem topologi, magnetisme, stærke korrelationer og nye antiferromagnetiske spintronics.

Khadka et al. udviklet epitaksiale film af høj kvalitet og observeret Kondo -effekter i film med overskydende Mn, som fungerede som et dopingmiddel i systemet efter at have udskiftet Sn. Da de øgede Mn -doping, systemet udviklede Kondo -sammenhæng og åbnede et hybridiseringsgab. Mn ₃ Sn udviste en stærkt anisotrop Hall -effekt. Teamet brugte co-sputtering af Mn og Sn mål til at realisere epitaksial vækst og skabe Mn _3+x Sn _{1 − x} film. Ved hjælp af røntgendiffraktionsmønstre (XRD) bemærkede de fraværet af urenhedstoppe i materialet og ved hjælp af atomkraftmikroskopi bemærkede de overfladeruheden til at være omkring 0,4 nanometer. Tidligere forskningsundersøgelser havde vist stabiliteten af ​​sekskantet Mn ₃ Sn -film efter overskydende Mn -atomer erstattede Sn -atomerne. Følgelig, doping med Mn stemte effektivt båndstrukturens topologi og Hall -effekter i Mn _3+x Sn _{1 − x} film tillod forskerne at udforske nye og usædvanlige korrelationer for at forstå samspillet mellem Weyl og korrelationsfysik på en ideel platform.

Teamet viste endvidere stærkere beviser for åbning af film ved hjælp af terahertz Faraday -rotationsmålinger. Da de dopede Weyl semimetal (WSM) med magnetiske Mn -atomer, de bemærkede en mulig overgang fra Kondo -effekten til Kondo -isolatoren; en ny klasse af topologisk stof, hvor virkningerne var uafhængige af den krystallinske vækstorientering. Da den store spontane anomale Hall -modstand (AHR), der stammer fra Weyl -noderne, tidligere udgjorde en fremtrædende transportfunktion i bulk Mn ₃ Sn, Khadka et al. identificerede på samme måde Weyl -karakteren af ​​den tynde film, der blev brugt her med Hall -målinger. De samlede Hall -resistivitetsberegninger betragtede magnetiseringen, almindelig Hall -koefficient og magnetisk permeabilitet for de deraf følgende usædvanlige Hall -modstande i filmene.

Usædvanlig magnetoresistans

Khadka et al. registrerede derefter negativ magnetoresistance (NMR) som en anden vigtig transportfunktion i Weyl -halvmetaller på grund af materialets chirale anomali. For eksempel, når de påførte et magnetfelt langs strømmen, en kiral ladestrøm kørte fra en Weyl -knude til dens modstykke med modsat kiralitet. Den kombinerede kirale strøm forbedrede den elektriske ledningsevne under forsøget, giver anledning til negativ magnetoresistens (NMR) - en funktion, der demonstrerede konsekvenserne af doping af magnetiske Mn -atomer.

På denne måde, Durga Khadka og kolleger udviklede antiferromagnetisk Weyl semimetal Mn _3+x Sn _{1 − x} tynde film med overlegen prøvekvalitet. Den spændende klasse af materialer gav en platform til at studere samspillet mellem stærke elektronkorrelationer, topologi og magnetisme. Teamet erstattede tin (Sn) med magnetisk mangan (Mn) for at realisere en Kondo -effekt, der førte til at åbne et hybridiseringsgab, ledsaget af nedsat Hall -modstand. Arbejdet danner grundlaget for yderligere undersøgelser af relaterede materialer, herunder elektronlokalisering ved doping af atomer med forskellige elementer, herunder jern, kobolt, kobber eller gadolinium. Teamet kan yderligere indstille spin-orbit-kobling af de tynde film ved at doping tunge elementer såsom bly (Pb).

Da konventionelle kollinære antiferromagnetiske materialer ikke udviser unormale Hall -modstandseffekter på grund af deres forsvindende små egenskaber ved magnetisering, de er ikke gode kandidater til antiferromagnetisk spintronik. I modsætning, de rige kollinære spin -teksturer, og betydelige Hall -modstande i Mn ₃ Sn -familie af forbindelser introduceret i dette arbejde gør det til en lovende kandidat til sådanne applikationer. Disse tynde film vil tilbyde nye paradigmer til at drive det nye felt af topologisk antiferromagnetisk spintronik til at udvikle nye spin-baserede enheder.

© 2020 Science X Network