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QUICK REVIEW

[논문 리뷰] Probing the Anomalous Hall Transport and Magnetic Reversal of Chiral-Lattice Antiferromagnet Co$_{1/3}$NbS$_2$

Pingfan Gu, Yuxuan Peng|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 16.
Topological Materials and Phenomena인용 수 4
한 줄 요약

이 연구는 기계적 분리된 Co₁/₃NbS₂ 플레이크에서의 거대한 비정상 홀 효과(Giant Anomalous Hall Effect, AHE) 및 비정상 네른스트 효과(Anomalous Nernst Effect, ANE)의 내재적 기원을 조사하며, Mott 관계 분 析를 통해 이러한 효과들이 큰 내재적 베리 기울기에서 기인한다는 것을 입증한다. 자화의 역전은 도메인 벽의 이동에 의해 지배되며, 연속적인 자화 스윕 중 임계장 Hc에서 메모리 효과가 관찰되어, 나선형 격자 반자성체의 위상적 및 동적 성질에 대한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Antiferromagnets exhibiting giant anomalous Hall effect (AHE) and anomalous Nernst effect (ANE) have recently aroused broad interest, not only for their potential applications in future electronic devices, but also because of the rich physics arising from the Berry curvature near the Fermi level. $ m{Co_{1/3}NbS_2}$, by intercalating $ m{Co^{2+}}$ ions between $ m{NbS_2}$ layers, is a quasi-two-dimensional layered antiferromagnet with a chiral lattice. A large AHE has been observed in $ m{Co_{1/3}NbS_2}$, but its origin is under debate. In this letter, we report the large AHE and ANE in exfoliated $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ flakes. By analyzing the thermoelectric data via the Mott relation, we determined that the observed large AHE and ANE primarily result from the intrinsic Berry curvature. We also observed the magnetic domains in $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ by reflective magnetic circular dichroism measurements. Combined with electrical transport measurements, we confirmed that the magnetic reversal in $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ is determined by domain wall motion, and the critical field ($H_c$) exhibits a memory effect of consecutive magnetic sweeps. Our work provides insight into the topological properties of $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ and paves the way to studying the spin configuration and magnetic domain dynamics in this fascinating antiferromagnet.

연구 동기 및 목표

  • 기계적 분리된 Co₁/₃NbS₂ 플레이크에서의 거대한 비정상 홀 효과(AHE) 및 비정상 네른스트 효과(ANE)의 기원을 규명하는 것.
  • AHE 및 ANE가 외재적 메커니즘(불순물 또는 기울기 산산각 산란 등)이 아닌 내재적 베리 기울기에서 기인하는지 확인하는 것.
  • Co₁/₃NbS₂의 자화 역전 메커니즘을 조사하고, 자장에 의존하는 자화에서 도메인 벽 이동의 역할을 규명하는 것.
  • 반복적인 자장 스윕 중 임계장 Hc에 메모리 효과가 존재하는지 탐색하는 것.
  • 반사형 자기회전이질도(RMCD)를 통해 자화 도메인의 광학적 증거를 제공하고, 이를 전도성 특성과 연관지키는 것.

제안 방법

  • 기계적 분리 방법을 사용하여 Co₁/₃NbS₂의 기계적 분리 단결정 플레이크를 제작하고, 두께를 확인하기 위해 원자력 현미경(atomic force microscopy)을 이용해 특성 분석하였다.
  • 14 T 이내의 자장을 적용한 물리적 성질 측정 시스템(PPMS)에서 사각형 a.c. 전도도 측정을 수행하여 ρxx, ρxy, Sxx 및 Sxy를 추출하였다.
  • 열전력 인자 측정을 위해 사각형 전도도 및 온도 센서를 사용하여 校정하였으며, 이로 인해 운반 및 열전계수 간의 관계를 정확히 연결하기 위해 Mott 관계를 적용할 수 있었다.
  • 헤네이저 레이저와 광학적 변조 장치를 사용하여 1.6 K까지의 온도에서 반사형 자기회전이질도(RMCD) 측정을 수행하여 반사된 빛의 원형 편광 차이를 감지하였다.
  • 샘플 스테이지의 스캐닝을 통해 RMCD 맵핑을 수행하여 자화 도메인을 공간적으로 해상도를 높여 분석하였다.
  • 연속적인 자장 스윕을 적용하여 임계장 Hc의 변화를 측정하였으며, 이는 메모리 효과와 일치하는 비단조적 감소를 보였다.
Figure 1: Basic characterizations of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ . (a), The crystal structure of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ viewed along the axis perpendicular to the $bc$ plane. (b), The measured temperature-dependent out-of-plane susceptibility of single crystal $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ bulk with ZFC, 0.1 T
Figure 1: Basic characterizations of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ . (a), The crystal structure of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ viewed along the axis perpendicular to the $bc$ plane. (b), The measured temperature-dependent out-of-plane susceptibility of single crystal $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ bulk with ZFC, 0.1 T

실험 결과

연구 질문

  • RQ1Co₁/₃NbS₂에서의 거대한 비정상 홀 효과의 주요 기원은 외재적 산산각 산란인지, 내재적 베리 기울기인지?
  • RQ2Co₁/₃NbS₂에서의 비정상 네른스트 효과는 베리 기울기와 페르미 수준 근처 전자 구조와 어떻게 관련되어 있는가?
  • RQ3Co₁/₃NbS₂의 자화 역전 메커니즘은 무엇이며, 도메인 벽 이동이 주도적인가?
  • RQ4반복적인 자장 스윕 중 자화 역전의 임계장 Hc는 메모리 효과를 보이며, 이는 도메인 벽의 역학에 대해 어떤 의미를 갖는가?
  • RQ5반사형 자기회전이질도(RMCD)는 자화 도메인의 광학적 증거를 제공할 수 있으며, 이는 전도성 비정상성과 어떻게 연관되는가?

주요 결과

  • 열전 및 전도성 데이터에 대한 Mott 관계 분 析를 통해 Co₁/₃NbS₂에서의 큰 AHE 및 ANE는 외재적 메커니즘보다 내재적 베리 기울기에서 기인함을 확인하였다.
  • 큰 RMCD 신호가 관찰되었으며, RMCD 맵핑을 통해 명확한 자화 도메인이 분리되어, 비공면 스핀 구조 및 큰 베리 기울기의 광학적 증거를 제공하였다.
  • 자화 역전에서 도메인 벽 이동이 지배적이며, 자장 의존성 홀 저항 및 히스테리시스 행동을 통해 이를 확인하였다.
  • 연속적인 자장 스윕 중 자화 역전의 임계장 Hc는 단조롭게 감소하며, 이는 나선형 도메인 벽 역학 또는 교환 편향과 관련된 메모리 효과를 시사한다.
  • 관측된 큰 AHE 및 ANE 값은 비공면 스핀 구조와 일치하며, 스칼라 스핀 치랄리티 및 허구적 자기장에 기반한 이론 모델을 지지한다.
  • 저온에서의 전도성 및 열전성 데이터의 비정상성은 페르미 수준 근처에 큰 자성 플럭츄에이션 또는 전자 전이가 존재함을 시사한다.
Figure 2: Electrical transport and thermoelectric measurements of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ . (a), Temperature-dependent longitudinal and transverse resistivity. (b), AHE angle $\theta_{H}=|\frac{\sigma_{xy}}{\sigma_{xx}}|$ versus temperature, extracted from (a). The inset shows the optical image of th
Figure 2: Electrical transport and thermoelectric measurements of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ . (a), Temperature-dependent longitudinal and transverse resistivity. (b), AHE angle $\theta_{H}=|\frac{\sigma_{xy}}{\sigma_{xx}}|$ versus temperature, extracted from (a). The inset shows the optical image of th

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