[论文解读] Anomalous Hall effect from frustration-tuned scalar chirality distribution in Pr2Ir2O7

Masafumi Udagawa, Roderich Moessner|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2012

Advanced Condensed Matter Physics被引用 3

一句话总结

该论文提出，Pr₂Ir₂O₇中的反常霍尔效应（AHE）源于局域Pr³⁺自旋中由几何 frustration调控的标量手性，基于尖晶石晶格上的Kondo晶格模型。研究显示，当外磁场H∥[111]时，实验观测到的霍尔电导率在H ≈ 0.7 T处出现峰值，其起源为自旋冰相到Kagome冰序的场诱导交叉转变，通过多轨道紧束缚模型与经验散射机制实现了定量符合。

ABSTRACT

We analyse the Ising Kondo lattice model on a pyrochlore structure in order to study the anomalous Hall effect due to non-coplanar magnetism. We focus on the frustration-induced spatial inhomogeneity of different magnetic low-temperature regimes, between which one can efficiently tune using an external magnetic field. We incorporate non-magnetic scattering on a phenomenological level so that we can distinguish between the effects of short-range correlations and short-range coherence. We obtain a Hall conductivity (σ_H) as function of field strength and direction which compares well to the experimental data of Pr2Ir2O7. In particular, we show that the observed peak in σ_H for H||[111] signals the crossover from zero-field spin ice to Kagome ice.

研究动机与目标

• 理解具有强自旋-轨道耦合与几何 frustration 的尖晶石型铱酸盐Pr₂Ir₂O₇中反常霍尔效应（AHE）的起源。
• 研究空间非均匀、由 frustration 引起的自旋构型——特别是自旋冰与Kagome冰——如何驱动非单调且各向异性的AHE响应。
• 通过在多轨道Kondo晶格模型中引入轨道简并性与经验非磁散射，实现与实验霍尔电导率的定量符合。
• 阐明标量手性分布如何在H∥[111]时产生σ_H在H ≈ 0.7 T处的观测峰值。

提出的方法

• 在尖晶石晶格上构建Ising Kondo晶格模型，其中Pr亚晶格上为局域Ising自旋，Ir亚晶格上为巡游电子。
• 施加Kagome冰规则（每个三角形上η_i之和为1），以生成具有均匀标量手性K₀ = -4/(3√3)的宏观简并自旋液体类简并态。
• 采用包含三重简并t₂g轨道的多轨道紧束缚模型，通过Slater-Koster跃迁积分模拟真实的能带结构。
• 引入经验散射率1/τ以考虑非磁杂质的影响，并在电子自能中引入阻尼效应。
• 利用从Matsubara格林函数推导出的实空间公式计算霍尔电导率σ_xy，将σ_xy表示为自旋三重态的求和形式：σ_xy = Σ(h_i₁·(h_i₂×h_i₃)) W_xy(i₁,i₂,i₃)。
• 通过在Matsubara频率和动量空间上的数值求和，评估权重函数W_xy，同时考虑电子结构与自旋纹理效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pr₂Ir₂O₇中反常霍尔效应的微观起源是什么，特别是其σ_H随外场非单调且各向异性的依赖关系？
• RQ2 由几何 frustration 引起的空间非均匀自旋关联如何在霍尔响应中体现？
• RQ3 为何在H∥[111]时σ_H在H ≈ 0.7 T处出现显著峰值？其背后的相变或交叉转变机制是什么？
• RQ4 在考虑真实能带结构与散射效应的Kondo晶格模型中，多大程度上可以定量再现实验观测到的霍尔电导率幅值与场依赖关系？

主要发现

• 在H∥[111]时，H ≈ 0.7 T处的霍尔电导率峰值归因于零场自旋冰态向磁场诱导的Kagome冰态的交叉转变，此时Kagome面上的自旋与外场对齐，同时保持冰规则。
• 该模型成功再现了H∥[100]时高场区域（H ≳ 4 T）的实验平台区，得到σ_H ≈ 30 Ω⁻¹ cm⁻¹，与实验结果定量符合良好。
• 对于H∥[111]，模型预测在H ≈ 1.0 T处出现峰值，并在H ≈ 8 T处发生符号反转，与实验观测到的0.7 T处峰值及约6 T处的反转趋势一致。
• 在t₂g带中引入三重轨道简并性可增加横向散射通道，增强σ_H，从而实现与实验幅值的定量符合。
• 纵向电阻率ρ ≈ 8.0×10² Ω⁻¹ cm⁻¹与实验值（~2.8×10³ Ω⁻¹ cm⁻¹）处于同一数量级，验证了模型输运参数的合理性。
• 在所有满足冰规则的自旋构型中，标量手性保持均匀，证实AHE源于长程自旋纹理，而非局部涨落。