[论文解读] Colossal low-field negative magnetoresistance in CaAl$_{2}$Si$_{2}$-type diluted magnetic semiconductors (Ba,K)(Cd,Mn)$_{2}$As$_{2}$

Bijuan Chen, Zheng Deng+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2026

Iron-based superconductors research被引用 0

一句话总结

该研究报道了在 (Ba,K)(Cd,Mn)$_{2}$As$_{2}$ DMSs 中实现自洽的电荷掺杂（K）与自旋掺杂（Mn），显示在高 Mn 含量下，低场近似 100% 的软铁磁性与巨型负磁电阻。

ABSTRACT

We report the magnetic and magnetotransport properties of the layered CaAl$_2$Si$_2$-type diluted magnetic semiconductor (Ba$_{1-x}$K$_x$)(Cd$_{1-y}$Mn$_y$)$_2$As$_2$ over a broad Mn (spin) substitution range of $0.05 \le y \le 0.5$. K substitution introduces hole carriers, whereas Mn provides local moments, resulting in bulk ferromagnetism with Curie temperatures up to $\sim 17$ K. Intrinsic magnetic ordering is further supported by an anomalous Hall contribution and a specific-heat anomaly near $T_{\mathrm{C}}$. A key performance feature is a colossal negative magnetoresistance: for heavily Mn-doped compositions ($y \ge 0.3$), $\mathrm{MR}=[ρ(H)-ρ(0)]/ρ(0)$ reaches approximately $-100\%$ at 2 K and nearly saturates at a relatively low magnetic field of $\sim 0.35\,\mathrm{T}$. The combination of soft ferromagnetism, strong spin-charge coupling, and low-field MR saturation highlights (Ba,K)(Cd,Mn)$_2$As$_2$ as a promising bulk platform for low-temperature magnetoresistive functionalities.

研究动机与目标

• 探索在 CaAl2Si2 型块状 DMS Ba1−xKx(Cd1−yMny)2As2 中，电荷（K）与自旋（Mn）掺杂的解耦如何调控铁磁有序。
• 表征在宽范围的 Mn 替代（0.05 ≤ y ≤ 0.5）下的磁性、传输和热力学信号以揭示有序特征。
• Demonstrate the relationship between Mn content, carrier density, and magnetoresistance, especially at low fields.
• 通过异常霍尔效应和特异热异常在 Tc 附近提供材料内部磁有序的证据。
• 评估该材料族作为低温磁阻应用的体相平台的潜力。

提出的方法

• 通过固相反应合成带受控 K 与 Mn 共掺杂的多晶样品。
• 用室温 XRD 与 Rietveld 精修表征结构，确认 CaAl2Si2 型六方结构。
• 测量磁化强度 M(T) 与 M(H) 以确定居里温度和饱和磁矩。
• 进行霍尔效应测量以识别异常霍尔贡献与载流子类型。
• 获取比热 C(T) 以在 Tc 附近检测磁有序信号。
• 研究电阻率 ρ(T) 与磁阻 MR(H) 来评估在 Mn 含量变化下的低场 MR 行为。

Fig. 1: Crystal structure and phase characterization of CaAl 2 Si 2 -type (Ba,K)(Cd,Mn) 2 As 2 . a Crystal structure of (Ba,K)(Cd,Mn) 2 As 2 (space group $P\bar{3}m1$ ), composed of CdAs 4 tetrahedra and BaAs 6 octahedra and forming a layered Cd 2 As 2 network. b Powder X-ray diffraction patterns of

实验结果

研究问题

• RQ1 解耦掺杂（K 为空穴，Mn 为局部自旋）如何影响 Ba1−xKx(Cd1−yMny)2As2 的铁磁有序？
• RQ2 在这种 CaAl2Si2 型 DMS 中，Tc 与 Msat 对 Mn 含量的依赖关系如何？
• RQ3 是否可通过异常霍尔效应和 Tc 附近的比热异常来印证内在磁有序？
• RQ4 Mn 引入的无序/局域化如何影响磁阻，以及在低场是否可实现巨型负 MR？
• RQ5 该系统是否存在适用于 bulk 磁阻应用的实际低场 MR 区间？

主要发现

• 通过解耦的空穴与自旋掺杂实现铁磁有序，在最优 Mn 含量下，Tc 可达到约 17 K。
• 异常霍尔效应和 Tc 附近的比热异常支持内在有序。
• 随着 Mn 含量的增加，无序/局域化增强，驱动在 2 K 下接近 −100% 的巨型负 MR，并在约 0.35 T 限幅。
• K 掺杂通过提高空穴密度降低电阻率，而 Mn 掺杂由于无序效应提高电阻率。
• Tc 对 Mn 含量呈非单调依赖，在 y 约 0.20 附近达到峰值，较高 Mn 含量时下降。
• 晶格参数随 K 掺杂膨胀，而随 Mn 掺杂收缩，与成功的化学替代一致。

Fig. 2: Ferromagnetism and Hall response in (Ba,K)(Cd,Mn) 2 As 2 with decoupled charge and spin doping. a Temperature dependence of magnetization $M(T)$ measured under 500 Oe for the K-doping series (Ba 1-x K x )(Cd 0.9 Mn 0.1 ) 2 As 2 with $x$ =0.01–0.10, showing ferromagnetic ordering; inset: Curi