[論文レビュー] Oxygen vacancy-induced anomalous Hall effect in a non-magnetic oxide

Athby H. Al‐Tawhid, Jesse Kanter+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2021

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、酸素空孔が局所的な磁気モーメントを誘起し、輸送電子を非対称に散乱させることで、見かけ上磁気的でないKTaO3において異常ホール効果（AHE）が出現することを示した。AHEは低温（T < 5 K）においてベリー曲率によって支配され、外部要因から内在的性質へと遷移する。非磁性酸化物におけるAHEの多体的メカニズムが明らかになった。

ABSTRACT

The anomalous Hall effect, a hallmark of broken time-reversal symmetry and spin-orbit coupling, is frequently observed in magnetically polarized systems. Its realization in non-magnetic systems, however, remains elusive. Here, we report on the observation of anomalous Hall effect in nominally non-magnetic KTaO3. Anomalous Hall effect emerges in reduced KTaO3 and shows an extrinsic to intrinsic crossover. A paramagnetic behavior is observed in reduced samples using first principles calculations and quantitative magnetometry. The observed anomalous Hall effect follows the oxygen vacancy-induced magnetization response, suggesting that the localized magnetic moments of the oxygen vacancies scatter conduction electrons asymmetrically and give rise to anomalous Hall effect. The anomalous Hall conductivity becomes insensitive to scattering rate in the low temperature limit (T<5 K), implying that the Berry curvature of the electrons on the Fermi surface controls the anomalous Hall effect. Our observations describe a detailed picture of many-body interactions, triggering anomalous Hall effect in a non-magnetic system.

研究の動機と目的

• 異常ホール効果（AHE）が通常存在しない非磁性酸化物における起源を調査すること。
• KTaO3における酸素空孔が長距離磁気秩序が存在しない状態でも磁気を誘起し、AHEを引き起こすかどうかを特定すること。
• 非磁性酸化物における欠陥誘起磁性、電子散乱、トポロジカル効果の相乗的相互作用を明確にすること。
• 低温領域におけるベリー曲率がAHEをどのように支配するかを確立すること。

提案手法

• 第一原理計算を用いて、酸素空孔ドープKTaO3の電子構造と磁気応答をモデル化した。
• 定量的磁化測定を用いて、還元されたKTaO3試料におけるパラ磁気的挙動を確認した。
• 輸送測定を実施し、異常ホール電導度を抽出し、温度および散乱率依存性を分析した。
• 異常ホール電導度を、外部要因（不純物散乱）および内在的要因（ベリー曲率）のメカニズムの文脈で分析した。
• 低温領域（T < 5 K）の挙動を検討し、ベリー曲率がAHEに与える寄与を分離した。
• 酸素空孔、局所的磁気モーメント、電子散乱の相乗的相互作用をモデル化し、非対称散乱を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離磁気秩序が存在しない非磁性酸化物KTaO3において、異常ホール効果が出現しうるか？
• RQ2 酸素空孔がKTaO3における磁気の誘起と異常ホール効果の発現に果たす役割は何か？
• RQ3 還元されたKTaO3における異常ホール効果は、外部散乱効果が支配的か、それとも内在的ベリー曲率効果が支配的か？
• RQ4 低温における異常ホール電導度の挙動はどのように変化し、これによりどのようなメカニズムが示唆されるか？
• RQ5 酸素空孔と伝導電子の間の多体的相互作用が、異常ホール応答をどの程度支配するか？

主な発見

• 見かけ上非磁性であるペロブスカイト酸化物KTaO3において、還元状態で異常ホール効果が観測された。
• 酸素空孔が局所的磁気モーメントを誘起し、これが伝導電子を非対称に散乱させることで、異常ホール効果が生じる。
• 温度が低下するに従い、異常ホール効果は外部要因的性質から内在的性質へと遷移する。
• 低温（T < 5 K）では、異常ホール電導度が散乱率に依存しなくなり、フェルミ面におけるベリー曲率の支配的寄与が示された。
• 第一原理計算および磁化測定により、還元KTaO3がパラ磁気的応答を示し、長距離磁気秩序の欠如が裏付けられた。
• 本結果は、欠陥誘起磁性とトポロジカル電子輸送を含む多体的メカニズムが、非磁性酸化物系において異常ホール応答を支配することを明らかにした。