[논문 리뷰] Scaling Analysis of Anomalous Hall Resistivity in the Co$_{2}$TiAl Heusler Alloy

Rudra Prasad Jena, Devendra Kumar외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 16.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 Co₂TiAl 헤스러 합금에서의 이방성 홀 효과(AHE)를 광범위한 자기전도 측정을 통해 조사하여, 기울기 산산이 외부 AHE 메커니즘을 지배하며, 측면 뛰어오름 기여는 전자-마그논 스핀 반전 산산에 기인함을 밝혀냈다. AHE가 縦전기저항과의 스케일링 관계를 통해 외부 기원임을 확인하였고, 자기저항과 측면 뛰어오름 AHE 사이의 강한 상관관계는 전자-마그논 산산이 측면 뛰어오름 기여의 원천임을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• Co₂TiAl의 이방성 홀 전기저항(ρxyAH) 기원을 이해하기 위해.
• 강자성 상태에서 AHE에 기여하는 내재, 기울기 산산, 측면 뛰어오름 기여를 구분하기 위해.
• 전자-마그논 산산이 AHE에 대한 측면 뛰어오름 기여를 매개하는 역할을 하는지 규명하기 위해.
• ρxyAH와 ρxx 사이의 스케일링 관계 수립을 통해 주로 작용하는 산산 메커니즘을 식별하기 위해.

제안 방법

• PPMS를 사용하여 2 K까지 낮은 온도에서 AC-전송 옵션을 갖춘 4점 저항 측정 및 자기저항 측정을 수행하였다.
• 최대 9 T의 자기장에서 5점 홀 전기저항 측정을 실시하여 총 ρxy에서 ρxyAH를 추출하였다.
• 온도 의존성 ρxx와 ρxy는 스케일링 모델을 사용하여 분석하였다: ρxyAH(T) = α₀ρxx₀ + α₁ρxxT + β₀ρxx₀² + β₁ρxxT².
• 스케일링 모델 내 개별 항의 온도 의존성을 활용하여 내재, 기울기 산산, 측면 뛰어오름 기여를 분리하였다.
• 저항 변화(Δρxx)와 측면 뛰어오름 AHE(ρxyAH-SJ) 사이의 상관관계를 활용하여 측면 뛰어오름의 기원이 전자-마그논 산산인지 검증하였다.
• X선 회절(XRD)과 Rietveld 보정을 통해 Co₂TiAl 시료의 L2₁ 헤스러 구조 및 상 순도를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Co₂TiAl에서 이방성 홀 전기저항의 주요 산산 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 AHE에 대한 기울기 산산 및 측면 뛰어오름 기여는 縦전기저항과 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 AHE에 대한 측면 뛰어오름 기여의 온도 의존성은 전자-마그논 산산과 관련이 있는가?
• RQ4 자기저항과 측면 뛰어오름 AHE 사이의 상관관계를 통해 공통된 산산 기원을 확인할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템에서 내재 AHE 기여는 온도에 독립적인가?

주요 결과

• 기울기 산산이 Co₂TiAl에서 이방성 홀 전기저항을 지배하며, 측면 뛰어오름 또는 내재 메커니즘보다 거의 한 계단 더 큰 기여를 한다.
• ρxyAH와 ρxx 간의 스케일링 관계는 AHE의 외부 기원임을 확인하였고, 모델 ρxyAH(T) = α₀ρxx₀ + α₁ρxxT + β₀ρxx₀² + β₁ρxxT²에 잘 맞는다.
• AHE에 대한 측면 뛰어오름 기여(ρxyAH-SJ)는 50 K 이상에서 강한 온도 의존성을 보이며, 온도 상승에 따라 크기가 증가한다.
• 자기저항(Δρxx)의 온도 의존성과 ρxyAH-SJ 사이의 직접적인 상관관계는 전자-마그논 스핀 반전 산산이 측면 뛰어오름 기여의 기원임을 확인한다.
• 내재 AHE 기여는 온도에 독립적일 것으로 예상되나, 관측된 ρxyAH-(SJ,I)의 온도 의존성은 내재 효과가 아니라 측면 뛰어오름에 기인한다.
• 이방성 홀 전기저항은 Curie 온도(TC ≈ 125 K)에서 피크를 보이며, PM-FM 전이 시 강화된 스핀 변동과 일치한다.