[論文レビュー] Scaling Analysis of Anomalous Hall Resistivity in the Co$_{2}$TiAl Heusler Alloy

Rudra Prasad Jena, Devendra Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2019

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、Co₂TiAlヘスラー合金における異常ホール効果（AHE）を、包括的な磁気抵抗測定によって調査し、歪み散乱が外部的AHEメカニズムを支配していることを明らかにした。一方、サイドジャンプ寄与は電子＝磁気フォノンスピン反転散乱に起因する。AHEの縦方向抵抗率とのスケーリングは、外部的起源を確認しており、磁気抵抗とサイドジャンプAHEとの強い相関は、電子＝磁気フォノン散乱がサイドジャンプ寄与の原因であることを裏付けている。

ABSTRACT

A comprehensive magnetotransport study including resistivity ($\ ho_{xx}$) at various fields, isothermal magnetoresistance and Hall resistivity ($\ ho_{xy}$) has been carried out at different temperatures on the Co$_{2}$TiAl Heusler alloy. Co$_{2}$TiAl alloy shows a paramagnetic (PM) to ferromagnetic (FM) transition below the curie temperature (T$_{C}$) $\\sim$ 125 K. In the FM region, resistivity and magnetoresistance reveals a spin flip electron-magnon scattering and the Hall resistivity unveils the anomalous Hall resistivity ($\ ho_{xy}^{AH}$). Scaling of anomalous Hall resistivity with resistivity establishes the extrinsic scattering process responsible for the anomalous hall resistivity; however Skew scattering is the dominant mechanism compared to the side-jump contribution. A one to one correspondence between magnetoresistance and side-jump contribution to anomalous Hall resistivity verifies the electron-magnon scattering being the source of side-jump contribution to the anomalous hall resistivity.

研究の動機と目的

• Co₂TiAlの異常ホール抵抗率（ρxyAH）の起源を理解すること。これは、あまり研究が進んでいないコバルトベースのヘスラー合金である。
• 強磁性状態におけるAHEに寄与する内在的、歪み散乱、およびサイドジャンプ寄与を区別すること。
• 電子＝磁気フォノン散乱がAHEに寄与するサイドジャンプを媒介する役割を特定すること。
• ρxyAHとρxxとのスケーリング関係を確立し、支配的散乱メカニズムを特定すること。

提案手法

• 4端子抵抗率および磁気抵抗測定を、AC-トランスポート機能を備えたPPMSを用いて2 Kまで実施した。
• 9 Tまでの磁場下で5端子ホール抵抗率測定を実施し、全ρxyからρxyAHを抽出した。
• 温度依存性のρxxおよびρxyは、スケーリングモデル ρxyAH(T) = α₀ρxx₀ + α₁ρxxT + β₀ρxx₀² + β₁ρxxT² を用いて分析した。
• スケーリングモデルの各項の温度依存性を用いて、内在的、歪み散乱、サイドジャンプ寄与を分離した。
• 抵抗率の変化（Δρxx）とサイドジャンプAHE（ρxyAH-SJ）との相関を用い、サイドジャンプの電子＝磁気フォノン散乱起源を検証した。
• X線回折（XRD）とリートビルド精査により、Co₂TiAl試料のL2₁ヘスラー構造および相純度が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Co₂TiAlにおける異常ホール抵抗率の主な散乱メカニズムは何か？
• RQ2 AHEに寄与する歪み散乱およびサイドジャンプ寄与は、縦方向抵抗率とどのようにスケーリングするか？
• RQ3 AHEに寄与するサイドジャンプの温度依存性は、電子＝磁気フォノン散乱と関連しているか？
• RQ4 磁気抵抗とサイドジャンプAHEを相関させることで、共通の散乱起源を確認できるか？
• RQ5 この系では、内在的AHE寄与は温度に依存しないと予想されるが、真か？

主な発見

• 歪み散乱がCo₂TiAlにおける異常ホール抵抗率を支配しており、サイドジャンプや内在的メカニズムに比べて約1桁大きい寄与を示した。
• ρxyAHとρxxとのスケーリングは、AHEの外部的起源を確認しており、モデル ρxyAH(T) = α₀ρxx₀ + α₁ρxxT + β₀ρxx₀² + β₁ρxxT² との良好な一致が得られた。
• AHEに寄与するサイドジャンプ寄与（ρxyAH-SJ）は50 K以上で強い温度依存性を示し、温度上昇に伴いその大きさが増加した。
• 磁気抵抗（Δρxx）の温度依存性とρxyAH-SJとの直接相関は、電子＝磁気フォノンスピン反転散乱がサイドジャンプ寄与の原因であることを確認した。
• 内在的AHE寄与は温度に依存しないと予想されるが、ρxyAH-(SJ,I)に観察された温度依存性は、内在的効果ではなくサイドジャンプに起因するとされた。
• 異常ホール抵抗率はCurie温度（TC ≈ 125 K）でピークを示し、PM-FM転移付近でのスピンフラクチュエーションの増強と整合的であった。