[논문 리뷰] Oxygen vacancy-induced anomalous Hall effect in a non-magnetic oxide

Athby H. Al‐Tawhid, Jesse Kanter외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 16.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 37인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 산소 결함으로 인해 국소적 자화 모멘트가 유도되어 도핑된 비자기적 KTaO3에서 비정상 허르츠 효과(AHE)의 발생을 입증한다. 이는 도핑된 전도 전자들이 비대칭적으로 산산이 산산이 흩어지는 데 기인한다. AHE는 낮은 온도에서(5 K 이하) 베리 기울기(Berry curvature)에 의해 지배되며, 이는 비자기 산화물에서 AHE의 다체 다이내믹스 메커니즘을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비자기 산화물에서 AHE가 일반적으로 존재하지 않는 배경에서 비정상 허르츠 효과(AHE)의 기원을 조사하는 것.
• KTaO3의 산소 결함가 장구적 자성 질서 없이 자성을 유도하고 AHE를 유도할 수 있는지 확인하는 것.
• 비자기 산화물에서 결함에 의해 유도된 자성, 전자 산산이 흩어지는 현상, 그리고 위상적 효과 간의 상호작용을 명확히 하는 것.
• 저온 영역에서 베리 기울기가 AHE를 어떻게 지배하는지 규명하는 것.

제안 방법

• 산소 결함 도핑된 KTaO3의 전자 구조와 자성 반응을 모델링하기 위해 최초 원리 계산을 사용하였다.
• 감쇠된 KTaO3 샘플에서 파라자성 거동를 확인하기 위해 정량적 자화 측정을 실시하였다.
• 비정상 허르츠 전도도를 추출하고 온도 및 산산이 흩어지는 비율 의존성을 분석하기 위해 전도도 측정을 수행하였다.
• 비정상 허르츠 전도도를 외재적(불순물 산산이 흩어짐) 및 내재적(베리 기울기) 메커니즘의 맥락에서 분석하였다.
• 저온 영역(T < 5 K)의 거동를 분석하여 베리 기울기가 AHE에 미치는 기여를 분리하였다.
• 산소 결함, 국소적 자화 모멘트, 전자 산산이 흩어지는 현상 간의 상호작용을 모델링하여 비대칭 산산이 흩어지는 현상을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장구적 자성 질서 없이도 비자기 산화물인 KTaO3에서 비정상 허르츠 효과가 발생할 수 있는가?
• RQ2 산소 결함가 KTaO3에서 자성을 유도하고 비정상 허르츠 효과를 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 감쇠된 KTaO3에서 비정상 허르츠 효과는 외재적 산산이 흩어짐에 의해 지배되는가, 아니면 내재적 베리 기울기 효과에 의해 지배되는가?
• RQ4 저온에서 비정상 허르츠 전도도는 어떻게 행동하며, 이는 기저 메커니즘에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ5 산소 결함와 도전 전자 간의 다체 상호작용이 비정상 허르츠 반응에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 산소 결함로 인해 비자기 퍼보스카이트 산화물인 감쇠된 KTaO3에서 비정상 허르츠 효과가 관측되었다.
• 산소 결함는 국소적 자화 모멘트를 유도하여 도전 전자를 비대칭적으로 산산이 흩어지게 하여 비정상 허르츠 효과를 유도한다.
• 비정상 허르츠 효과는 온도가 낮아짐에 따라 외재적 특성에서 내재적 특성으로의 전이를 보인다.
• 저온 영역(T < 5 K)에서 비정상 허르츠 전도도는 산산이 흩어지는 비율에 민감하지 않게 되어, 페르미 표면에서 베리 기울기가 지배하고 있음을 시사한다.
• 최초 원리 계산과 자화 측정은 감쇠된 KTaO3에서 파라자성 반응를 확인하였으며, 장구적 자성 질서의 부재를 지지한다.
• 결과는 비자기 산화물 시스템에서 결함에 의해 유도된 자성과 위상적 전자 운동 간의 다체 메커니즘을 드러낸다.