[论文解读] Colossal Terahertz Magnetoresistance from Magnetic Polarons in EuZn$_2$P$_2$

E. Marulanda, M. Dutra+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2026

Rare-earth and actinide compounds被引用 0

一句话总结

使用磁-太赫兹光谱对 EuZn2P2 进行研究，揭示了与磁性极化子相关的巨型太赫兹磁阻（在 1.5 THz 下约 90%），非 Drude 的极化子电动力学。太赫兹响应对磁场高度敏感，在 Néel 温度附近达到峰值。

ABSTRACT

Magnetic polarons can generate colossal magnetoresistance in magnetic semiconductors, yet their terahertz electrodynamics remain largely unexplored. Here we report magneto-terahertz spectroscopy of the Eu-based Zintl antiferromagnet EuZn$_2$P$_2$. The low-frequency conductivity shows pronounced non-Drude behavior consistent with an evolution from isolated to overlapping magnetic polarons upon cooling. The polaron relaxation time reaches a maximum at the Néel temperature and exhibits a strong magnetic-field dependence. This polaron-driven reshaping of the conductivity leads to a strongly frequency-dependent magnetoresistance that becomes colossal in the terahertz range, reaching about 90 % at 1.5 THz, roughly three times larger than the zero-frequency limit value. These results demonstrate that magnetic polarons strongly govern the low-energy electrodynamics and highlight the sensitivity of terahertz spectroscopy to polaronic magnetotransport in correlated magnetic semiconductors.

研究动机与目标

• 研究磁性极化子如何影响 EuZn2P2 在 Néel 温度附近及以下温度范围内的太赫兹电动力学。
• 利用太赫兹光谱表征低能电子响应及其弛豫动力学。
• 识别极化子形成与重叠的区間，并将其与传输行为联系起来。
• 量化频率依赖的磁阻，并将 THz MR 与直流 MR 进行比较。

提出的方法

• 对原始 EuZn2P2 晶体在 0.2–2.0 THz、1.6–150 K、以及高达 7 T 的磁场条件下进行磁-太赫兹时域光谱（THz-TDS）。
• 从 THz 透射中提取复导电率 σ(ν)，聚焦于低能耗散响应 σ1(ν)。
• 在导电率极小值以下用偏移幂律参数化 σ1(ν)：σ1(ν)=σp + A(ν−ν0)^{2q}，得到 σdc 与 σp。
• 通过电子特征的谱宽得到有效弛豫时间 τ，并跟踪其随温度与场强的变化。
• 分析场诱导的谱曲率变化（A、q），而 ν0 保持在次太赫兹范围内，将其与极化子动力学联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性极化子在冷却过程中的演化在太赫兹导电性中如何体现？
• RQ2 极化子形成/重叠与观测到的直流与太赫兹导电性之间的关系是什么？
• RQ3 外加磁场如何重塑太赫兹电子特征及相关的磁阻？
• RQ4 太赫兹范围的磁阻频率依赖性如何，与直流磁阻相比有何差异？
• RQ5 磁性极化子相关性是否在 Néel 温度以上仍存在？对 THz 传输有何影响？

主要发现

• σ1(ν) 显示一个宽谱电子特征，其最大值在冷却时向较低频段移动，且在约 1.5 THz 处出现导电率极小值，原因涉及电子-声子耦合。
• 有效弛豫时间 τ 在 Néel 温度附近达到峰值，随更低温度下降，表明磁相关驱动的弛豫动力学。
• 提取出两组直流和太赫兹导电尺度：σdc 与 σp，它们非单调演化，揭示从孤立到重叠极化子区间的转变。
• 在 1.5 THz 与 7 T 条件下，1.6 K 时太赫兹磁阻 MR(ν,B) 约为 93%，50 K 时约为 89%，远超相应的直流 MR 值（1.6 K 时约 30%，50 K 时约 20%）。
• 场引起的电子特征谱形重塑，而非更长的弛豫时间，是太赫兹磁阻巨大的驱动因素，指示低能谱重量的极化子再分布。