北航Nat. Electron.: 反铁磁中晶体霍尔效应的实验观测

2022-11-08 03:11

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反常霍尔效应是凝聚态物理的核心领域之一，其研究起源于19世纪80年代初期美国约翰霍普金斯大学的Edwin H. Hall在铁磁材料中的实验发现；随后的整个20世纪，反常霍尔效应的研究几乎都集中在铁磁材料中；近年来，非共线反铁磁材料中的反常霍尔效应也逐渐被理论和实验所发掘，这包括一些具有复杂磁结构的非共面反铁磁以及共面但非共线的反铁磁材料体系等。然而，由于时空反演对称性的保护，磁性材料中数量最多的一类材料——共线反铁磁，长期以来被认为不会呈现出反常霍尔效应。

近期理论研究表明，对于一些具有特定晶体对称性的共线反铁磁材料，非磁性原子的低对称性排布可以打破时空反演对称，从而使得共线反铁磁中反常霍尔效应的存在成为可能。这样一种由非磁性原子的低对称性排布和共线反铁磁序共同诱发的反常霍尔效应被称之为晶体霍尔效应 (Crystal Hall Effect) [Šmejkal et al. arXiv:1901.00445 (2019); Sci. Adv. 6, eaaz8809 (2020)]。

11月7日，Nature Electronics（《自然•电子学》）在线发表了北京航空航天大学材料科学与工程学院刘知琪教授课题组在共线反铁磁材料中反常霍尔效应的实验观测研究。论文题为“An anomalous Hall effect in altermagnetic ruthenium dioxide” (《交变磁体RuO₂中的反常霍尔效应》)。北航材料学院博士生冯泽鑫和周晓荣，以及德国美因茨大学Libor Šmejkal博士为论文共同第一作者。论文合作者还有华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心朱增伟教授和夏正才教授、德国美因茨大学Jairo Sinova教授、捷克科学院Tomáš Jungwirth教授等。北航材料学院刘知琪教授为论文通讯作者。

在该项研究工作中，刘知琪教授课题组制备出了高电导率的金红石相RuO₂共线反铁磁外延单晶薄膜，通过结构、电输运、磁输运、磁性测量等表征手段，并依托华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心的大科学装置，在此共线反铁磁材料中实验观测到了很大的反常霍尔电导率 (图1)。这项实验工作协同前期理论研究，将反常霍尔材料体系拓展到了磁性材料中数量最为丰富的共线反铁磁中，并将其起源拓展到了非磁性原子的排布对称性上，从而有望在共线反铁磁研究中激发出更多新奇物态。