[論文レビュー] A scaling relation of anomalous Hall effect in ferromagnetic semiconductors and metals

Tomoteru Fukumura, H. Toyosaki+4 more|ArXiv.org|Jun 20, 2007

Quantum and electron transport phenomena参考文献 21被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、強磁性半導体および金属における異常ホール伝導度（σ_AH）と縦方向伝導度（σ_xx）の間の普遍的なスケーリング関係を確立し、σ_xxの5桁にわたる範囲でσ_AH ∝ σ_xx^1.6の関係が成り立つことを発見した。観察されたスケーリングは、金属的およびホッピング伝導の両方の領域で成り立ち、最近の理論的枠組みを支持し、低〜中程度の伝導度を示す多様な材料においても頑健であることを示している。

ABSTRACT

A scaling relation of the anomalous Hall effect recently found in a ferromagnetic semiconductor (Ti,Co)O_2_ is compared with those of various ferromagnetic semiconductors and metals. Many of these compounds with relatively low conductivity sigma_xx_ < 10^4 ohm^-1 cm^-1 are also found to exhibit similar relation: anomalous Hall conductivity sigma_AH_ approximately scales as sigma_AH_ proportional to sigma_xx_^1.6, that is coincident with a recent theory. This relation is valid over five decades of sigma_xx_ irrespective of metallic or hopping conduction.

研究の動機と目的

• 異なる強磁性材料における異常ホール効果のスケーリング関係の普遍性を調査すること。
• 観察されたσ_AH ∝ σ_xx^1.6のスケーリングが、単一の材料系にとどまらないかを特定すること。
• 低伝導度および異なる伝導メカニズムを示す材料におけるスケーリング関係の妥当性を検討すること。
• 実験的スケーリング行動を最近の理論的予測と比較すること。
• 金属的およびホッピング伝導の両方の領域に適用可能な頑健な経験則的関係を確立すること。

提案手法

• 複数の強磁性半導体および金属における縦方向伝導度（σ_xx）および異常ホール伝導度（σ_AH）の測定。
• 広範な伝導度範囲（σ_xx < 10^4 S/cm）におけるσ_AH対σ_xxの系統的分析。
• σ_AH ∝ σ_xx^αのスケーリング指数を抽出するためにべき乗則フィッティングの使用。
• 金属的、ホッピング的、中間的な伝導領域をカバーする材料の含む。
• 実験的スケーリング指数を最近のモデルからの理論的予測と比較。
• チタン・コバルトドープ酸化物やその他の遷移金属ドープ酸化物を含む、多様な強磁性酸化物および chalcogenides からのデータ収集と分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異常ホール伝導度は、異なる強磁性半導体および金属において、縦方向伝導度と普遍的にスケーリングするか？
• RQ2 σ_AH ∝ σ_xx^1.6のスケーリング指数は、異なる伝導メカニズムを示す材料においても一貫しているか？
• RQ3 5桁にわたる縦方向伝導度の範囲、特に低伝導度領域においてもスケーリング関係は維持されるか？
• RQ4 観察されたスケーリングは、最近の理論的予測とどのように比較されるか？
• RQ5 スケーリング関係は、金属的およびホッピング伝導系の両方へ適用可能か？

主な発見

• 複数の強磁性半導体および金属において、σ_xxの5桁にわたる範囲で頑健なスケーリング関係σ_AH ∝ σ_xx^1.6が観察された。
• σ_xx < 10^4 S/cmの材料、特にホッピング伝導が支配的な材料に対してもスケーリングが成立した。
• 観察された指数は、最近の理論的予測の1.6と非常に良好に一致した。
• スケーリングは、伝導メカニズムにかかわらず、異なる材料系において普遍的であった。
• スケーリングは(Ti,Co)O₂において観察され、他の強磁性酸化物および金属へ拡張された。
• 多様な系にわたるスケーリングの一貫性は、異常ホール効果の背後にある共通のメカニズムを支持する。