[论文解读] Spontaneous anomalous Hall effect arising from an unconventional compensated magnetic phase in a semiconductor

R. D. Gonzalez Betancourt, J. Zubáč+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 6

一句话总结

本研究报告了在MnTe中观察到自发反常霍尔效应（AHE），这是一种具有共线反平行磁序且净磁化强度为零的半导体。该效应源于一种非传统的反磁性相，其时间反演对称性因Mn原子的各向异性晶格环境而强烈破缺，从而在无外加磁场条件下产生横向霍尔电流——首次在补偿型磁性半导体中实现AHE。

ABSTRACT

The anomalous Hall effect, commonly observed in metallic magnets, has been established to originate from the time-reversal symmetry breaking by an internal macroscopic magnetization in ferromagnets or by a non-collinear magnetic order. Here we observe a spontaneous anomalous Hall signal in the absence of an external magnetic field in an epitaxial film of MnTe, which is a semiconductor with a collinear antiparallel magnetic ordering of Mn moments and a vanishing net magnetization. The anomalous Hall effect arises from an unconventional phase with strong time-reversal symmetry breaking and alternating spin polarization in real-space crystal structure and momentum-space electronic structure. The anisotropic crystal environment of magnetic Mn atoms due to the non-magnetic Te atoms is essential for establishing the unconventional phase and generating the anomalous Hall effect.

研究动机与目标

• 研究具有零净磁化强度的MnTe半导体中自发反常霍尔效应（AHE）的起源。
• 确定在无宏观磁化强度的共线反平行磁结构中，时间反演对称性破缺是否可能发生。
• 探讨晶体各向异性和实空间与动量空间中的自旋极化在补偿系统中实现AHE的作用。
• 确立MnTe作为半导体中反磁性原型，为自旋电子学器件开辟新途径。

提出的方法

• 采用分子束外延技术在GaAs衬底上外延生长MnTe薄膜，以实现高结构与磁性质量。
• 在低温（50 K）下进行角度依赖的磁阻测量，施加面内磁场以分离AHE贡献与各向异性磁阻（AMR）的影响。
• 利用sin(nϕ)拟合对电阻率数据进行谐波分析，提取奇次与偶次谐波分量，其中奇次谐波（n=3）用于识别AHE信号。
• 通过从原始数据中减去偶次谐波（n=2,4,6,8,10）贡献，确认AHE被主导的sin(3ϕ)分量所支配，从而验证AHE的存在。
• 通过角向磁场扫描中纵向电阻率的极小值确定磁性易轴，证实约2–3 T时发生自旋翻转转变。
• 采用自旋群形式理论分析，将磁相分类为反磁性相，其特征为通过旋转对称性连接的相反自旋亚晶格。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有零净磁化强度和共线反平行磁序的半导体中，自发反常霍尔效应是否可能发生？
• RQ2 在MnTe中，无宏观磁化强度时，时间反演对称性破缺的起源是什么？
• RQ3 Mn原子的各向异性晶体环境如何影响MnTe中反常霍尔效应的出现？
• RQ4 实空间中的自旋极化与动量空间中的电子结构在多大程度上共同促成观测到的AHE？
• RQ5 MnTe中的反常霍尔效应是否与自旋群理论预测的反磁性相一致？

主要发现

• 在50 K下，MnTe中未施加外磁场即观察到自发反常霍尔效应，证实了在补偿系统中时间反演对称性破缺的存在。
• AHE信号在角度依赖关系中主要表现为sin(3ϕ)谐波，表明横向霍尔电流与垂直霍尔赝向量成正比。
• 自旋翻转转变场确定为约2–3 T，此时磁矩重新排列至最近的易轴方向。
• 即使电流沿[2̄1̄10]方向流动，AHE效应依然存在，证实其与电流方向无关，并对晶体取向具有鲁棒性。
• AHE源于一种非传统的反磁性相，其在实空间与动量空间中表现出交替的自旋极化，该效应由Mn原子周围各向异性的Te环境所驱动。
• 观测到的AHE对强各向异性磁阻（AMR）贡献具有鲁棒性，通过谐波减法有效抑制AMR，从而分离出本征AHE信号。