[论文解读] A report of (topological) Hall anomaly two decades ago in Gd2PdSi3, and its relevance to the history of the field of Topological Hall Effect due to magnetic skyrmions

E. V. Sampathkumaran|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 2被引用 9

一句话总结

本文主张，Gd2PdSi3 在二十年前便表现出巨大的拓扑霍尔效应——此前未被解释，现被重新解读为磁天穹子的证据——挑战了该领域的公认时间线，并提出该化合物是该效应的首个实验演示。关键结果是，对1999年早期霍尔电阻率数据的回溯性识别，确认了天穹子行为的存在，后于2019年由Kurumaji等人证实。

ABSTRACT

The area of magnetic skyrmions, with potential revolution in certain applications, in condensed matter physics is considered about a decade old. In this article, we draw the attention of the community to the recent work of Kurumaji et al [Science 365, 914 (2019)] establishing magnetic skyrmion lattice behavior in Gd2PdSi3. We consider it important to bring out the two decades old history, in particular Hall transport anomalies characterizing magnetic skyrmions. The key experimental data in support of the skyrmion lattice that Kurumaji et al present is the observation of topological Hall resistivity in an intervening field range, following two metamagnetic transitions. In addition, the values are giant, compared to those known for other magnetic skyrmions. We point out here that such features in Hall resistivity data, arising from Gd 4f magnetism, can be found in our publication in 1999 (along with the metamagnetic transitions) and we expressed difficulties in explaining the results at that time. In view of above, we propose to the scientific community that the compound Gd2PdSi3, ex post facto, can be considered as the first experimental demonstration for giant topological Hall effect in this field, discovered about two decades ago. We take this opportunity to share some thoughts, offering clues for further investigations, in particular to identify novel magnetic skyrmions and to find the same to enable applications.

研究动机与目标

• 强调Gd2PdSi3中的巨大拓扑霍尔效应早在1999年即被观测到，但当时未被识别，原因在于对天穹子物理的理解尚不充分。
• 在Kurumaji等人（2019年）近期证实Gd2PdSi3中存在天穹子晶格行为的基础上，重新评估1999年的实验数据。
• 提出应将Gd2PdSi3认定为首个因磁天穹子而表现出巨大拓扑霍尔效应的化合物。
• 激发对新型磁天穹子及其潜在应用的进一步研究。

提出的方法

• 对1999年关于Gd2PdSi3的研究中霍尔电阻率和反常磁性转变数据进行回溯性分析。
• 将1999年的数据与2019年在相同化合物中观测到的拓扑霍尔电阻率及天穹子晶格形成现象进行对比。
• 识别出两组研究中共有的关键特征——巨大拓扑霍尔电阻率以及中间场区的霍尔异常。
• 利用关于天穹子诱导贝里相位效应的理论背景，将1999年的结果重新解释为天穹子序的证据。
• 强调Gd 4f电子磁性在产生观测到的霍尔异常中的作用。
• 基于两组研究中实验特征（霍尔电阻率、反常磁性转变）的一致性提出论点。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何1999年在Gd2PdSi3中观测到的巨大拓扑霍尔效应当时未被识别为磁天穹子的证据？
• RQ2 1999年的数据中存在哪些证据支持天穹子晶格的存在？其与2019年的发现如何一致？
• RQ3 Gd2PdSi3中拓扑霍尔电阻率的大小与其他已知天穹子体系相比如何？
• RQ4 Gd 4f磁性在该化合物中产生拓扑霍尔效应的过程中起什么作用？
• RQ5 其他具有类似磁性行为的材料的早期数据是否也可被重新解释为天穹子序的证据？

主要发现

• 1999年对Gd2PdSi3的研究报告称，在经历两次反常磁性转变后，其霍尔电阻率在某一磁场范围内出现异常，现被认定为天穹子晶格的特征。
• 1999年观测到的拓扑霍尔电阻率幅度被描述为‘巨大’，相较于其他磁天穹子体系报告的数值更为显著。
• 作者断言，尽管1999年的数据当时未能解释，但已包含如今用于识别天穹子相的关键实验特征。
• 基于回溯性分析，提出化合物Gd2PdSi3应被认定为首个因磁天穹子而实现巨大拓扑霍尔效应的实验实现。
• 1999年的数据表现出与天穹子形成一致的场依赖性霍尔电阻率行为，包括在反常磁性转变之间的明显中间区域。
• 作者呼吁重新评估其他材料的历史数据，以识别潜在被忽视的天穹子态。