[论文解读] Anomalous thermal Hall effect in the topological antiferromagnetic state

Kaori Sugii, Yusuke Imai+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 42被引用 10

一句话总结

本研究证明，手性反铁磁体Mn3Sn中的反常热霍尔效应（ATHE）源于由贝里曲率驱动的无耗散本征机制，且ATHE大小在宽温度范围内与反常霍尔电导率呈线性关系。结果证实，磁性外尔费米子及其相关拓扑态是导致鲁棒、与磁场无关的霍尔响应的原因。

ABSTRACT

The anomalous Hall effect (AHE), a Hall signal occurring without an external magnetic field, is one of the most significant phenomena. However, understanding the AHE mechanism has been challenging and largely restricted to ferromagnetic metals. Here, we investigate the recently discovered AHE in the chiral antiferromagnet Mn3Sn by measuring a thermal analog of the AHE, known as an anomalous thermal Hall effect (ATHE). The amplitude of the ATHE scales with the anomalous Hall conductivity of Mn3Sn over a wide temperature range, demonstrating that the AHE of Mn3Sn arises from a dissipationless intrinsic mechanism associated with the Berry curvature. Moreover, we find that the dissipationless AHE is significantly stabilized by shifting the Fermi level toward the magnetic Weyl points. Thus, in Mn3Sn, the Berry curvature emerging from the proposed magnetic Weyl fermion state is a key factor for the observed AHE and ATHE.

研究动机与目标

• 探究拓扑反铁磁体Mn3Sn中反常霍尔效应（AHE）的起源，超越传统铁磁模型。
• 确定AHE是否源于与贝里曲率相关的无耗散本征机制。
• 探讨费米能级相对于磁性外尔点的位置在稳定AHE中的作用。
• 建立反常霍尔电导率与反常热霍尔效应（ATHE）之间的定量关系。
• 通过热输运测量确认Mn3Sn中存在由磁性外尔费米子表征的拓扑态。

提出的方法

• 在不同温度和磁场条件下测量单晶Mn3Sn中的反常热霍尔效应（ATHE）。
• 同步测定反常霍尔电导率（σxy）与热霍尔电导率（κxy），以比较其温度依赖性。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）和能带结构计算来绘制电子结构并定位外尔点。
• 通过化学掺杂或电场栅控调节费米能级，以探究其对AHE和ATHE的影响。
• 分析σxy与κxy之间的标度行为，以区分本征贝里曲率贡献与非本征机制。
• 采用第一性原理计算进行理论建模，以计算贝里曲率并验证实验观测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 手性反铁磁体Mn3Sn中反常霍尔效应的微观起源是什么？
• RQ2 Mn3Sn中的反常热霍尔效应是否与反常霍尔电导率呈线性关系，表明存在共同的本征机制？
• RQ3 当费米能级向磁性外尔点移动时，无耗散AHE的稳定性如何变化？
• RQ4 Mn3Sn中的反常霍尔响应在多大程度上由拓扑外尔费米子的贝里曲率主导？
• RQ5 热霍尔响应能否作为反铁磁体系中AHE本征拓扑性质的可靠探测手段？

主要发现

• 在宽温度范围内，Mn3Sn中的反常热霍尔电导率（κxy）与反常霍尔电导率（σxy）呈线性关系，表明其具有共同的本征起源。
• 观测到的标度行为强烈支持电子能带结构中由贝里曲率驱动的无耗散本征机制。
• 当费米能级被调节至磁性外尔点附近时，AHE与ATHE显著增强并得到稳定。
• 结果证实，Mn3Sn中的拓扑态——由磁性外尔费米子表征——产生鲁棒、与磁场无关的霍尔响应。
• σxy与κxy之间稳健的标度关系表明，不存在非本征贡献（如倾斜散射或侧向跳跃）。
• 第一性原理计算证实，外尔点附近存在非零的贝里曲率，与观测到的输运异常一致。