[论文解读] Giant topological Hall effect in strained Fe$_{0.7}$Co$_{0.3}$Si epilayers

N. A. Porter, Priyasmita Sinha+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

Magnetic properties of thin films被引用 6

一句话总结

本研究报告在外延应变Fe₀.₇Co₀.₃Si薄膜中观测到巨大的拓扑霍尔效应（THE），其成因归因于高自旋极化率、低载流子浓度以及密集的手性自旋织构。该THE在2 K时达到820 nΩ·cm，较MnSi中的值（4 nΩ·cm）高出200多倍，表明存在强烈的拓扑贝里相效应，暗示其在基于磁性斯kyrmion的自旋电子学器件中具有重要应用潜力。

ABSTRACT

The coupling of electron spin to real-space magnetic textures leads to a variety of interesting magnetotransport effects. The skyrmionic spin textures often found in chiral B20-lattice magnets give rise, via real-space Berry phases, to the topological Hall effect, but it is typically rather small. Here, B20-ordered Fe$_{0.7}$Co$_{0.3}$Si epilayers display a giant topological Hall effect due to the combination of three favourable properties: they have a high spin-polarisation, a large ordinary Hall coefficient, and dense chiral spin textures. The topological Hall resistivity is as large as 820 n$Ω$cm at helium temperatures. Moreover, we observed a drop in the longitudinal resistivity of 100 n$Ω$cm at low temperatures in the same field range, suggesting that it is also of topological origin. That such strong effects can be found in material grown in thin film form on commercial silicon wafer bodes well for skyrmion-based spintronics.

研究动机与目标

• 研究具有手性B20结构的应变Fe₀.₇Co₀.₃Si外延薄膜中拓扑霍尔效应的起源及其大小。
• 确定外延应变、自旋极化率与手性磁性织构如何共同增强拓扑输运效应。
• 识别纵向电阻率中除标准霍尔效应外的潜在拓扑贡献。
• 评估这些薄膜在可扩展、基于晶圆的自旋电子学器件中应用的可行性。

提出的方法

• 通过分子束外延（MBE）在Si(111)衬底上生长外延Fe₀.₇Co₀.₃Si薄膜，确保其具有单晶质量及B20有序结构。
• 利用透射电子显微镜（TEM），包括暗场成像与聚焦束电子衍射（CBED），识别出共存的左旋与右旋手性结构域。
• 采用四探针4线直流技术测量，提取2 K至300 K温度范围内的霍尔电阻率（ρxy）与纵向电阻率（ρxx）。
• 利用SQUID-振动样品磁强计（VSM）测量磁化强度（M）随外磁场（H）的变化，以确定磁相变与矫顽场。
• 在场冷却至5 K后进行偏振中子反射（PNR）测量，以探测深度分辨的磁性与自旋结构。
• 数据处理包括对线性项与弱局域化贡献进行背景扣除，以分离出拓扑电阻率特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统B20材料相比，应变Fe₀.₇Co₀.₃Si外延薄膜中巨大拓扑霍尔效应的成因是什么？
• RQ2 拓扑贝里相效应是否也可能在纵向电阻率（ρxx）中表现出来，而不仅限于横向霍尔响应？
• RQ3 外延应变与手性结构域如何影响skyrmionic自旋织构的稳定性和密度？
• RQ4 观测到的电阻率异常在多大程度上可归因于拓扑效应，而非传统的各向异性磁阻效应？
• RQ5 能否通过掺杂或应变工程调控拓扑输运响应，以实现器件应用？

主要发现

• 在2 K时，拓扑霍尔电阻率（ρxy^t）达到820 nΩ·cm，较原始MnSi中的观测值（4 nΩ·cm）提升超过200倍。
• 在与巨大THE相同的磁场范围内，纵向电阻率出现显著下降（Δρxx ≈ 100 nΩ·cm），提示其可能源于与贝里相效应相关的拓扑机制。
• 拓扑相在宽广的温度与磁场范围内持续存在，从2 K延伸至T ≈ 20 K，并跨越宽广的磁场窗口。
• TEM与CBED证实薄膜中存在左旋与右旋手性结构域，其复杂的晶界织构可能有助于稳定高密度的skyrmion样自旋织构。
• 拓扑电阻率贡献具有强鲁棒性，在宽电流密度范围（2×10⁴至4×10⁸ A/m²）内不随电流密度变化，表明其为本征起源。
• ρxx中的剩余电阻率异常在T ≈ 20 K以上消失，提示相位相干性在底层拓扑机制中起关键作用。