Opkomende kwantummaterialen kunnen worden gedefinieerd door topologie en sterke elektronencorrelaties, hoewel hun toepassingen in experimentele systemen relatief beperkt zijn. Weyl-halfmetalen die magnetisme bevatten, bieden een uniek en vruchtbaar platform om opkomende verschijnselen in de ontwikkeling van topologische materie en topologische spintronica te onderzoeken. De driehoekige antiferromagneet Mn ₃ Sn vertoont veel exotische fysische eigenschappen als een antiferromagnetisch (AFM) Weyl-halfmetaal (WSM), inclusief een mooi groot spontaan Hall-effect.

Het spontane Hall-effect werd meer dan een eeuw geleden ontdekt en begrepen in termen van tijdomkeringssymmetrie die wordt verbroken door de interne spinstructuur van antiferromagnetische, ferromagnetische of skyrmionische (kleine wervelende topologische defecten in de magnetisatie) vormen.

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Durga Khadka en een team van natuurkundigen, materiaal kunde, neutronenonderzoek en engineering in de VS rapporteerde de synthese van epitaxiale Mn _3+x sn _1−x films met samenstellingen vergelijkbaar met bulkmonsters. Toen ze de tin (Sn) atomen in de monsters vervingen door magnetische mangaan (Mn) atomen, ze merkten het Kondo-effect op; een gevierd voorbeeld van sterke correlaties die naar voren komen, ontwikkel vervolgens coherentie en induceer een hybridisatie-energiekloof. Het proces van magnetische dotering en opening van de spleet zorgde voor rijke buitengewone eigenschappen voor de nieuwe materialen.

Weyl-halfmetalen en het Kondo-effect

Materiaalwetenschappers bestuderen de bandstructuurtopologie en het ontwerp van materialen als een steeds belangrijker kenmerk dat bijdraagt ​​aan veel exotisch gedrag in nieuwe kwantummaterialen. De bandentheorie of bandstructuur definieert het kwantummechanische gedrag van elektronen in vaste stoffen. Bandstructuurtopologie is van cruciaal belang om de ontwikkeling van gapless topologische semi-metalen zoals Weyl-semimetalen (WSM's) en Dirac-semimetalen die driedimensionale (3-D) analogen van grafeen zijn, te begrijpen.

Weyl-halfmetalen zijn vaste-stofkristallen met lage energie-excitaties, bekend als Weyl-fermionen die elektrische lading dragen bij kamertemperatuur. De geleidings- en valentiebanden van WSM's kruisen elkaar op specifieke punten in de impulsruimte, bekend als Weyl-knooppunten, en hun onderlinge afstand dicteert op zijn beurt de grootte van het intrinsieke abnormale Hall-effect - een effect dat wordt waargenomen in vaste stoffen met een gebroken tijdomkeringssymmetrie of behoud van entropie. Weyl-knooppunten verschijnen als niet-gedegenereerde paren met tegengestelde chiraliteit. Het werk tot nu toe aan WSM's was gericht op zwak interagerende systemen met een groeiende behoefte om de effecten van sterke elektronencorrelaties op te nemen. Het Kondo-effect is een klassiek voorbeeld van sterk gecorreleerd gedrag dat voortkomt uit de koppeling tussen de spins van geleidingselektronen en lokale magnetische momenten. Dit werk suggereert WSM's als een vruchtbaar platform om nieuwe kwantumfasen te bestuderen vanwege het samenspel tussen de fysica van Weyl en Kondo.

Het team selecteerde het antiferromagnetische Weyl semi-magnetisch metaal (WSM) Mn ₃ Sn als een veelbelovend materiaal om de concepten te bestuderen. In de Mn ₃ Sn zeshoekige structuur, de Mn-atomen vormden een 2-D Kagome-rooster (een geweven patroon bestaande uit verweven driehoeken) met Sn-atomen in de zeshoekige centra. De wetenschappers gebruikten hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie (ARPES) metingen om de structurele kenmerken te observeren. De uitstekende topologische en spintronische eigenschappen naast sterke correlaties maakten Mn ₃ Sn een ideaal platform om veelzijdige natuurkunde tussen topologie, magnetisme, sterke correlaties en opkomende antiferromagnetische spintronica.

Khadka et al. ontwikkelde epitaxiale films van hoge kwaliteit en observeerde Kondo-effecten in films met een teveel aan Mn, die optrad als een doteringsmiddel in het systeem na vervanging van Sn. Toen ze Mn-doping verhoogden, het systeem ontwikkelde Kondo-coherentie en opende een hybridisatiekloof. de Mn ₃ Sn vertoonde een sterk anisotroop Hall-effect. Het team gebruikte co-sputteren van Mn- en Sn-doelen om epitaxiale groei te realiseren en Mn . te creëren _3+x sn _1−x films. Met behulp van röntgendiffractie (XRD) patronen merkten ze de afwezigheid van onzuiverheidspieken in het materiaal op en met behulp van atoomkrachtmicroscopie stelden ze vast dat de oppervlakteruwheid ongeveer 0,4 nanometer was. Eerdere onderzoeken hadden de stabiliteit van hexagonaal Mn . aangetoond ₃ Sn-films nadat overtollige Mn-atomen de Sn-atomen hadden vervangen. Bijgevolg, doping met Mn heeft effectief de bandstructuurtopologie en Hall-effecten in Mn . afgestemd _3+x sn _1−x films stelden de wetenschappers in staat om nieuwe en ongebruikelijke correlaties te onderzoeken om het samenspel tussen Weyl en correlatiefysica op een ideaal platform te begrijpen.

Het team toonde verder sterker bewijs voor het openen van de films met behulp van terahertz Faraday-rotatiemetingen. Toen ze het Weyl-halfmetaal (WSM) dopen met magnetische Mn-atomen, ze merkten een mogelijke overgang op van het Kondo-effect naar de Kondo-isolator; een nieuwe klasse van topologische materie, waarbij de effecten onafhankelijk waren van de kristallijne groeioriëntatie. Omdat de grote spontane abnormale Hall-weerstand (AHR) die voortkwam uit de Weyl-knooppunten eerder een opvallend transportkenmerk vormde in bulk Mn ₃ Sn, Khadka et al. identificeerde op dezelfde manier de Weyl-aard van de hier gebruikte dunne film met Hall-metingen. De berekeningen van de totale Hall-weerstand hielden rekening met de magnetisatie, gewone Hall-coëfficiënt en magnetische permeabiliteit voor de resulterende ongebruikelijke Hall-weerstanden in de films.

Ongebruikelijke magnetoweerstand

Khadka et al. registreerde vervolgens negatieve magnetoweerstand (NMR) als een ander belangrijk transportkenmerk in Weyl-halfmetalen vanwege de chirale anomalie van het materiaal. Bijvoorbeeld, toen ze een magnetisch veld aanbrachten in de richting van de stroom, een chirale laadstroom reed van een Weyl-knooppunt naar zijn tegenhanger met tegengestelde chiraliteit. De gecombineerde chirale stroom verbeterde de elektrische geleidbaarheid tijdens het experiment, wat aanleiding gaf tot negatieve magnetoweerstand (NMR) - een functie die de gevolgen aantoonde van het doteren van magnetische Mn-atomen.

Op deze manier, Durga Khadka en collega's ontwikkelden antiferromagnetisch Weyl-halfmetaal Mn _3+x sn _1−x dunne films met superieure monsterkwaliteit. De opwindende klasse van materialen bood een platform om de wisselwerking tussen sterke elektronencorrelaties, topologie en magnetisme. Het team verving tin (Sn) door magnetisch mangaan (Mn) om een ​​Kondo-effect te realiseren dat leidde tot het openen van een hybridisatiekloof, gepaard met verminderde Hall-weerstand. Het werk vormt de basis voor verder onderzoek naar verwante materialen, waaronder elektronenlokalisatie door atomen te doteren met diverse elementen, waaronder ijzer, kobalt, koper of gadolinium. Het team kan de spin-baankoppeling van de dunne films verder afstemmen door zware elementen zoals lood (Pb) te doteren.

Aangezien conventionele collineaire antiferromagnetische materialen geen abnormale Hall-weerstandseffecten vertonen vanwege hun verdwijnende kleine eigenschappen van magnetisatie, ze zijn geen goede kandidaten voor antiferromagnetische spintronica. In tegenstelling tot, de rijke collineaire spintexturen, en aanzienlijke Hall-weerstanden van de Mn ₃ De Sn-familie van verbindingen die in dit werk is geïntroduceerd, maakt het een veelbelovende kandidaat voor dergelijke toepassingen. Deze dunne films zullen nieuwe paradigma's bieden om het opkomende gebied van topologische antiferromagnetische spintronica voort te stuwen om nieuwe op spin gebaseerde apparaten te ontwikkelen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk