[논문 리뷰] Investigation of the Anomalous and Topological Hall Effects in Layered Monoclinic Ferromagnet Cr$_{2.76}$Te$_4$

Shubham Purwar, Achintya Low외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 16.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 강한 자화결정이성도를 갖는 다층성 강자성체인 단세립상 Cr₂.₇₆Te₄에서의 이방성 및 위상적 홀 효과를 조사한다. 이 시스템은 비대칭산산산란에 의해 큰 외재적 이방성 홀 효과를 나타내며, 강한 이성도에 의해 안정화된 비공면 스핀 구조에서 기인하는 뚜렷한 위상적 홀 효과를 보이며, 50 K에서 150 K 사이에 최대 위상적 홀 저항도 약 1.1 μΩ·cm에 도달한다.

ABSTRACT

We studied the electrical transport, Hall effect, and magnetic properties of monoclinic layered ferromagnet Cr$_{2.76}$Te$_4$. Our studies demonstrate Cr$_{2.76}$Te$_4$ to be a soft ferromagnet with strong magnetocrystalline anisotropy. Below 50 K, the system shows an antiferromagnetic-like transition. Interestingly, between 50 and 150 K, we observe fluctuating magnetic moments between in-plane and out-of-plane orientations, leading to non-coplanar spin structure. On the other hand, the electrical resistivity data suggest it to be metallic throughout the measured temperature range, except a $kink$ at around 50 K due to AFM ordering. The Rhodes-Wohlfarth ratio $\frac{μ_{eff}}{μ_{s}}=1.89 (>1)$ calculated from our magnetic studies confirms that Cr$_{2.76}$Te$_4$ is an itinerant ferromagnet. Large anomalous Hall effect has been observed due to the skew-scattering of impurities and the topological Hall effect has been observed due to non-coplanar spin-structure in the presence of strong magnetocrystalline anisotropy. We examined the mechanism of anomalous Hall effect by employing the first principles calculations.

연구 동기 및 목표

• 2D 스핀트로닉스 재료 후보로서 단세립상 Cr₂.₇₆Te₄의 전기적 운반성, 홀 효과 및 자성 특성을 조사하기 위해.
• 이 다층성 강자성체에서 이방성 홀 효과(AHE)와 위상적 홀 효과(THE)의 기원을 규명하기 위해.
• 자화결정이성도와 스핀 변동이 비공면 스핀 텍스처를 안정화시키는 데서 수행하는 역할을 명확히 하기 위해.
• 자기 및 운반성 측정을 기반으로 Cr₂.₇₆Te₄가 이동성 강자성체인지 확인하기 위해.
• 실험적 홀 반응을 제1원리 계산에 의한 베리 기울기 및 스핀 편향과 연관지기 위해.

제안 방법

• 고품질의 단일 결정 Cr₂.₇₆Te₄는 요오드를 운반제로 사용한 화학 기체 이동법(CVT)을 통해 성장시켰다.
• X선 회절(XRD) 및 Rietveld 보정을 통해 단세립상 결정 구조와 상 순도를 확인했다.
• 표준 사각형 측정법을 사용하여 전기 저항도 및 홀 측정을 수행하여 운반성 및 홀 반응을 추출했다.
• 물리적 성질 측정 시스템(PPMS)을 사용하여 포화 자기장, 임계 자기장 및 자성 이성도를 결정하기 위해 자성 측정을 수행했다.
• 제1원리 계산을 통해 페르미 수준 근처의 베리 기울기를 통한 내재적 AHE 기여도를 평가했다.
• 자화결정이성도 에너지(Kᵤ)는 자기장 의존성 자화 및 저항도 데이터로부터 추출하여 위상적 홀 반응과 연관지었다.

Figure 1: (a) XRD pattern from Cr 2.76 Te 4 single crystals. Inset in (a) shows the photographic image of the single crystals. (b) X-ray diffraction pattern from the crushed Cr 2.76 Te 4 single crystals, overlapped with Rietveld refinement. (c) Schematic crystal structure of Cr 2.76 Te 4 obtained fr

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cr₂.₇₆Te₄에서 큰 이방성 홀 효과의 기원은 무엇이며, 내재적일까 외재적일까?
• RQ2 이 단세립상 CrₓTeᵧ 시스템은 중심대칭이며 반전 대칭이 없음에도 불구하고 위상적 홀 효과는 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ3 자화결정이성도는 Cr₂.₇₆Te₄에서 비공면 스핀 구조의 안정화에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 50–150 K 온도 범위에서 평면 내 및 평면 외 방향의 스핀 변동은 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 실험적 홀 반응은 제1원리 계산에 의한 베리 기울기 및 스핀 편향 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Cr₂.₇₆Te₄는 낮은 임계 자기장과 강한 자화결정이성도를 갖는 연약한 강자성체이며, 자화의 용이 축은 bc 평면에 정렬되어 있다.
• 50 K 이하에서는 저항도의 꺾임과 자화율 변화에 의해 나타나는 반자성 유사 전이를 보인다.
• 50 K에서 150 K 사이에서는 Cr 스핀 모멘트가 평면 내 및 평면 외 방향으로 동적으로 진동하며, 비공면 스핀 구조의 동적 특성을 나타낸다.
• 모든 측정 온도 범위에서 전기 저항도는 금속성을 유지하며, 약 50 K에서 반자성 유사 전이에 해당하는 꺾임이 관찰된다.
• 위상적 홀 저항도는 50–150 K 범위에서 최대 약 1.1 μΩ·cm에 도달하며, 강한 스핀 편향성과 유한한 베리 기울기를 나타낸다.
• 제1원리 계산은 페르미 수준 근처에서 비영인 베리 기울기로 인해 내재적 AHE를 예측하지만, 실험적으로는 외재적 비대칭산산산란 메커니즘이 지배적이다.

Figure 2: (a) Temperature dependent magnetization $M(T)$ measured under ZFC and FC modes with a magnetic field $H$ =1000 Oe for $H\parallel\it{a}$ and $H\parallel\it{bc}$ . (b) Variation of magnetization $\Delta$ M=(M FC -M FC ) plotted as a function of temperature. Inset in (b) shows first derivati