進展 | 磁性外爾體系巨反常霍爾效應的內/外稟雙機制設計
2020-07-08 中科院物理所反常霍爾效應是霍爾效應的各種物理版本中基礎而重要的一員，且與溫度梯度驅動的反常能斯特效應在物理根源上有著密切的關係。經過一個多世紀的研究，人們認識到反常霍爾效應的物理機制包括貝利曲率相關的內稟機制和雜質散射相關的外稟機制。作為動量空間中的贗磁場，貝利曲率是布洛赫電子的帶間相互作用。在對稱破缺的拓撲材料中，在自旋軌道耦合作用下，外爾節點及節線環能隙等能帶結構可以產生拓撲增強的貝利曲率。在時間反演對稱破缺的磁性體系中，就有可能產生巨大的、具有拓撲穩定性的（量子）反常霍爾效應。
2018年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的劉恩克【Nature Physics 14, 1125 (2018)】和翁紅明【Nat. Commun. 9, 3681 (2018)】分別與其合作者，提出了首個磁性外爾半金屬Co3Sn2S2【新型磁性Weyl半金屬的發現及其巨反常霍爾效應】。次年，與合作者一起又觀察到了外爾費米子線性節點和拓撲表面態費米弧兩個拓撲態的譜學證據【時間反演對稱破缺-磁性Weyl半金屬實驗實現】。這一發現完成了外爾費米子對稱破缺的物理分類，並引發了人們對磁性拓撲物理的廣泛研究，也為巨反常霍爾效應的獲得帶來了契機。
該材料費米能級附近存在3對外爾點和3對帶能隙的節線環，可以產生強的貝利曲率分布，使得該材料展現出大的內稟反常霍爾電導(1130 S/cm)和大的反常霍爾角(20%)，二者均比常規磁性材料高一個數量級（常規磁性材料反常霍爾電導：100-200 S/cm、反常霍爾角：2-3%）。同時，理論計算進一步顯示，Co3Sn2S2的費米能級及以下存在一個寬約100 meV、高達1000 S/cm反常霍爾電導平臺（圖1，綠線所示）。這意味著，如果在體系中引入少量的p型載流子摻雜，費米能級的下移可保持在該平臺所處的能量範圍之內，其內稟反常霍爾電導將維持不變。與此同時，體系內可能會引發異類雜質的散射效應，產生反常霍爾效應的外稟貢獻（圖1，紅線所示），從而實現反常霍爾效應的總體提升。
圖1. 基於磁性外爾半金屬的內/外稟雙機制增強設計示意（反常霍爾電導平臺來自於前期的理論計算，延伸閱讀，圖二f）
基於上述思想，最近，物理所M05課題組的博士生申建雷、博士生曾慶祺和劉恩克副研究員等，與南方科技大學劉奇航教授課題組合作，在磁性拓撲材料巨反常霍爾效應的調控方面取得了新的進展。他們在磁性外爾半金屬Co3Sn2S2內稟巨反常霍爾效應的基礎上，採用低價電子數的Fe取代Co引入外稟的雜質散射貢獻，大幅增強了體系的反常霍爾電導和反常霍爾角，實現了內/外稟雙機制增強的設計目標。
實驗結果顯示，在微量Fe摻雜的Co3-xFexSn2S2中最大的零場反常霍爾電導可達1850 S/cm，零場反常霍爾角可達33%（圖2）。
圖2. 實驗獲得的反常霍爾電導、反常霍爾角（橫向電流轉換效率）與常規反常霍爾材料的對比。
霍爾角對應著縱向電流向霍爾電流的轉換效率，這意味著在零磁場下將有高達1/3的縱向驅動（外爾電子）電流轉換為橫向霍爾電流。這個效率也是迄今所有報導的磁性材料中的最高值，且從低溫至居裡溫度的寬溫域內均保持著較大的數值。進一步採用TYJ模型對反常霍爾效應的內、外稟成分進行分離（圖3），結果顯示體系的內稟反常霍爾電導隨微量Fe摻雜的增加而略有上升，與理論計算的內稟結果一致。與此形成鮮明對比，外稟貢獻隨著微量Fe摻雜的引入而迅速攀升，增量高達1000 S/cm，且其主要來源於螺旋散射機制。
圖3. (a) Co3-xFexSn2S2體系反常霍爾效應的TYJ模型擬合。(b) 在10 K分離提取出的內、外稟反常霍爾電導。(c) x=0.05合金的內、外稟反常霍爾電導的溫度依賴趨勢。(d) 該體系中內、外稟反常霍爾電導溫度分布規律示意。
本研究結果表明，在不顯著改變體系基本電子結構和費米面分布特徵的前提下，引入微量異類雜質原子的散射效應，可以在磁性外爾半金屬中實現反常霍爾雙機制增強的設計目的。
該工作有助於推動新興磁性拓撲材料在拓撲自旋電子學、磁傳感、電熱換能等方面的潛在應用，所提出的雙機制增強思路可為其他磁性拓撲材料的大反常霍爾及大反常能斯特效應的設計和開發提供重要借鑑。相關內容以題名為「33% Giant Anomalous Hall Current Driven by Both Intrinsic and Extrinsic Contributions in Magnetic Weyl Semimetal Co3Sn2S2」發表在《Advanced Functional Materials》雜誌上，並已申請中國發明專利【申請號：CN202010461006.4】。
該工作得到了國家基金委「優青」基金（51722106）、面上基金（11974394），科技部重點研發計劃（2019YFA0704900、2017YFA0206300），中科院B類先導專項（XDB33000000），北京市基金委重點項目（Z190009），合肥科學中心高端用戶基金（2019HSC-UE009）等項目的支持。
相關工作連結：
https://doi.org/10.1002/adfm.202000830
編輯：xx
相關焦點
-
進展 | 磁性外爾半金屬中局域無序誘發的拓撲能帶調製效應
對整個布裡淵區中所有佔據態電子的貝利曲率積分能夠獲得內稟的反常霍爾電導 (AHC)，即反常霍爾效應內稟貢獻。內稟AHC與兩個因素密切相關：一是由費米能級EF位置決定的電子佔據情況；另一個是EF附近的能帶結構特徵。在磁性拓撲半金屬材料中，外爾點和帶能隙的節線環能夠產生拓撲增強的貝利曲率，有望產生巨大的內稟AHC。 -
磁性外爾半金屬中局域無序誘發的拓撲能帶調製效應研究獲進展
因此，磁性拓撲半金屬成為獲得強橫向輸運效應的理想材料。 近兩年，鐵磁性Shandite化合物Co3Sn2S2被證實是第一個時間反演對稱破缺的磁性外爾半金屬。該體系在EF附近存在3對外爾點和3對帶能隙的節線環，這些拓撲能帶結構產生強的貝利曲率，使該材料展現出大的AHC (1130 S/cm)和大的反常霍爾角 AHA (20%)。繼而，人們在該磁性拓撲體系中報導了大反常能斯特效應、平帶負磁矩效應、拓撲表面態電催化、疇壁大磁電阻、交換偏置、電子關聯、自旋激發能隙，以及可能的高溫量子反常霍爾效應等物理行為。 -
進展|時間反演對稱破缺-磁性Weyl半金屬實驗實現
在凝聚態固體中，前者對應著非中心對稱體系，而後者則對應著自旋極化的磁性體系。在磁性外爾體系中，時間反演對稱破缺由系統磁性保證，並可受外磁場控制，易於通過溫度或磁場實現對拓撲態的操控和調製。而拓撲相關的貝利曲率可以產生強烈的內稟反常霍爾效應（及反常能斯特效應），成為拓撲材料中除磁電量子振蕩、拓撲表面態費米弧、手性異常負磁電阻等基本拓撲行為之外的重要物性。 -
進展 | 外爾費米子與鐵磁自旋波共舞
固體中的外爾費米子準粒子還具有不同於真空中真實粒子的獨特物理性質和新奇現象，譬如費米弧和手性反常導致的磁阻效應、內稟反常霍爾效應、三維量子霍爾效應等。因此，首個非磁性外爾半金屬TaAs家族材料的發現具有重要科學意義，極大地推動了外爾半金屬的研究進展。另一類破壞時間反演對稱性的磁性外爾半金屬在近期也得到了材料實現和密切研究。 -
進展|外爾費米子與鐵磁自旋波共舞
固體中的外爾費米子準粒子還具有不同於真空中真實粒子的獨特物理性質和新奇現象，譬如費米弧和手性反常導致的磁阻效應、內稟反常霍爾效應、三維量子霍爾效應等。因此，首個非磁性外爾半金屬TaAs家族材料的發現具有重要科學意義，極大地推動了外爾半金屬的研究進展。另一類破壞時間反演對稱性的磁性外爾半金屬在近期也得到了材料實現和密切研究。 -
磁性外爾半金屬材料研究現狀與展望
本文綜述了近年來國內外磁性外爾半金屬的研究進展，包括最近首次被實驗證實的磁性外爾半金屬Co3Sn2S2[22,23,25]，以及磁性拓撲的最新進展——磁性拓撲量子化學的內容和磁性拓撲材料的高通量檢索。最後對磁性拓撲電子體系的未來進行了展望。我們考慮一個簡立方晶格模型，假設每個格點上都有一對宇稱相反的局域軌道(譬如s、p軌道)。 -
進展|磁性外爾半金屬Co3Sn2S2紅外光譜研究進展
磁性外爾半金屬能夠實現具有最少外爾點的最簡單外爾半金屬，可用於實現具有本徵磁性的量子反常霍爾效應，還提供了通過外磁場來調節外爾點及其相關效應的新調控手段，具有十分廣闊的應用前景。近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的劉恩克【Nature Physics 14, 1125(2018)】和翁紅明【Nat. -
磁性外爾半金屬Co3Sn2S2紅外光譜研究進展
磁性外爾半金屬能夠實現具有最少外爾點的最簡單外爾半金屬，可用於實現具有本徵磁性的量子反常霍爾效應，還提供了通過外磁場來調節外爾點及其相關效應的新調控手段，具有十分廣闊的應用前景。近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的劉恩克【Nature Physics 14, 1125(2018)】和翁紅明【Nat. -
中科大石墨烯與矽烯中的量子反常霍爾效應獲得理論新突破
合肥微尺度物質科學國家實驗室與物理系雙聘教授喬振華研究組與校內外同行合作在預言石墨烯和矽烯中的量子反常霍爾效應方面取得新突破，成果發表在3月14日和21日前後兩期的國際權威物理學雜誌《物理評論快報》上，後者併入選編輯推薦文章。 量子反常霍爾效應是當今凝聚態物理領域一個備受關注的研究熱點。 -
進展|磁性半金屬EuB6和量子反常霍爾效應研究進展
考慮自旋-軌道耦合後，非平庸的拓撲不變量χ=1意味著該體系的能隙不能全部打開。根據體系的磁對稱性，該體系可以是nodal-line半金屬（圖1b）或者外爾半金屬（圖1c）。具體而言，當磁矩平行[001]方向，EuB6是由鏡面對稱性Mz保護的nodal-line半金屬（圖2a）。當鐵磁序平行[111]方向，體系的鏡面對稱性都被破缺了，nodal-line打開能隙。 -
進展|反常霍爾效應研究取得進展
反常霍爾效應是最基本的電子輸運性質之一。雖然反常霍爾效應早在1881年就被Edwin Hall發現，但其微觀機制的建立卻經歷了一百餘年的漫長曆程。本世紀初，牛謙等人的理論工作揭示了反常霍爾效應的內稟機制與材料能帶結構的貝裡曲率有關，並得到了廣泛的實驗支持，反常霍爾效應也因此成為當今凝聚態物理研究的一個重要手段。在近年來受到廣泛關注的固態拓撲體系研究中，反常霍爾效應也是被研究的焦點之一。然而，迄今為止所有的實驗結果都基本使用單粒子圖像下的輸運理論進行解釋。 -
量子反常霍爾效應
量子反常霍爾效應不同於量子霍爾效應，它不依賴於強磁場而由材料本身的自發磁化產生。在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。2013年，由清華大學薛其坤院士領銜、清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。 -
物理所等反常霍爾效應研究取得進展
反常霍爾效應是最基本的電子輸運性質之一。雖然反常霍爾效應早在1881年就被Edwin Hall發現，但其微觀機制的建立卻經歷了一百餘年的漫長曆程。本世紀初，牛謙等人的理論工作揭示了反常霍爾效應的內稟機制與材料能帶結構的貝裡曲率有關，並得到了廣泛的實驗支持，反常霍爾效應也因此成為當今凝聚態物理研究的一個重要手段。 -
外爾費米子與鐵磁自旋波共舞研究獲進展
固體中的外爾費米子準粒子還具有不同於真空中真實粒子的獨特物理性質和新奇現象，譬如費米弧和手性反常導致的磁阻效應、內稟反常霍爾效應、三維量子霍爾效應等。因此，首個非磁性外爾半金屬TaAs家族材料的發現具有重要科學意義，推動了外爾半金屬的研究進展。另一類破壞時間反演對稱性的磁性外爾半金屬在近期也得到了材料實現和密切研究。 -
外爾費米子與鐵磁自旋波共舞研究獲進展
固體中的外爾費米子準粒子還具有不同於真空中真實粒子的獨特物理性質和新奇現象，譬如費米弧和手性反常導致的磁阻效應、內稟反常霍爾效應、三維量子霍爾效應等。因此，首個非磁性外爾半金屬TaAs家族材料的發現具有重要科學意義，推動了外爾半金屬的研究進展。另一類破壞時間反演對稱性的磁性外爾半金屬在近期也得到了材料實現和密切研究。 -
量子反常霍爾效應的實驗發現丨物理所入選「率先行動」第一階段成果進展
近日，在系統梳理「率先行動」計劃第一階段眾多科技成果基礎上，中科院按照「三個面向」凝練歸納出59項重大科技成果及標誌性進展，由中科院物理所主要完成的三項成果同時入選。今天為大家介紹面向世界科技前沿的「量子反常霍爾效應的實驗發現」成果進展。 -
物理所發現磁性拓撲絕緣體中的雙分量反常霍爾效應
一個重要的實驗進展是在Cr、V等摻雜的(Bi,Sb)2Te3薄膜中觀察到了量子反常霍爾效應。然而對於磁性摻雜的拓撲絕緣體Bi2Se3，雖然角分辨光電子能譜(ARPES)實驗觀察到了具有能隙的表面態，人們卻從未在這個體系中觀察到量子反常霍爾效應。 -
量子反常霍爾效應體系量子相變與標度行為研究獲進展
量子霍爾效應中，從一個量子平臺到另一個量子平臺的相變可以用標度行為描述，目前已有一些理論研究和實驗工作。二維體系除了量子霍爾效應，還有很多其他有趣的量子現象，比如近些年為人熟知的量子反常霍爾效應和新奇的軸子絕緣體態。軸子絕緣體態的特徵之一是其零霍爾電導，並且在拓撲絕緣體薄膜上下表面有反平行磁化的條件下出現。 -
進展 | 在磁性外爾半金屬中首次提出「自旋軌道極化子」概念
近幾年，基於過渡金屬的籠目晶格（kagome lattice）化合物是揭示和探索包括幾何阻挫、關聯效應和磁性以及量子電子態的拓撲行為等在內的豐富的物理學性質的一個新穎材料平臺。在這些近層狀堆疊的晶體材料中，過渡金屬元素原子呈三角形和六邊形在平面內交替排列，形成了獨特的拓撲結構，例如具有狄拉克錐的電子能帶結構特徵和強自旋軌道耦合的平帶特徵等。