[论文解读] A scaling relation of anomalous Hall effect in ferromagnetic semiconductors and metals

Tomoteru Fukumura, H. Toyosaki+4 more|ArXiv.org|Jun 20, 2007

Quantum and electron transport phenomena参考文献 21被引用 9

一句话总结

该论文在铁磁半导体和金属中建立了反常霍尔电导率（σ_AH）与纵向电导率（σ_xx）之间的普遍标度关系，发现σ_AH ∝ σ_xx^1.6，覆盖了σ_xx的五个数量级。该观测到的标度关系在金属态和跳跃导电区域均成立，支持了近期的理论框架，并在低至中等电导率的多种材料中表现出强鲁棒性。

ABSTRACT

A scaling relation of the anomalous Hall effect recently found in a ferromagnetic semiconductor (Ti,Co)O_2_ is compared with those of various ferromagnetic semiconductors and metals. Many of these compounds with relatively low conductivity sigma_xx_ < 10^4 ohm^-1 cm^-1 are also found to exhibit similar relation: anomalous Hall conductivity sigma_AH_ approximately scales as sigma_AH_ proportional to sigma_xx_^1.6, that is coincident with a recent theory. This relation is valid over five decades of sigma_xx_ irrespective of metallic or hopping conduction.

研究动机与目标

• 研究反常霍尔效应标度关系在多种铁磁材料中的普遍性。
• 确定观测到的σ_AH ∝ σ_xx^1.6标度关系是否超越单一材料体系而成立。
• 检验在低电导率及不同导电机制材料中该标度关系的有效性。
• 将实验标度行为与近期理论预测进行比较。
• 建立适用于金属态和跳跃导电区域的稳健经验关系。

提出的方法

• 在多种铁磁半导体和金属中测量纵向电导率（σ_xx）和反常霍尔电导率（σ_AH）。
• 对宽范围电导率值（σ_xx < 10^4 S/cm）下的σ_AH与σ_xx进行系统性分析。
• 采用幂律拟合以提取σ_AH ∝ σ_xx^α的标度指数。
• 包含涵盖金属态、跳跃导电及中间导电区域的材料。
• 将实验标度指数与近期理论模型的预测进行比较。
• 从多种铁磁氧化物和硫属化物（包括(Ti,Co)O₂及其他过渡金属掺杂氧化物）中收集并分析数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 反常霍尔电导率是否在不同铁磁半导体和金属中普遍与纵向电导率呈标度关系？
• RQ2 σ_AH ∝ σ_xx^1.6的标度指数是否在具有不同导电机制的材料中保持一致？
• RQ3 该标度关系是否在纵向电导率的五个数量级范围内（包括低电导率区域）持续成立？
• RQ4 观测到的标度关系与近期理论预测相比如何？
• RQ5 该标度关系是否可适用于金属态和跳跃导电体系？

主要发现

• 在多个铁磁半导体和金属中，观测到σ_AH ∝ σ_xx^1.6的稳健标度关系，覆盖了σ_xx的五个数量级。
• 该标度关系在σ_xx < 10^4 S/cm的材料中依然成立，包括以跳跃导电为主导的材料。
• 观测到的指数与近期理论预测的1.6高度一致。
• 该关系在不同材料类别中普遍成立，与主导导电机制无关。
• 该关系在(Ti,Co)O₂中被观测到，并扩展至其他铁磁氧化物和金属。
• 该关系在多种体系中的一致性支持了反常霍尔效应存在共同的内在机制。