[论文解读] Investigation of the Anomalous and Topological Hall Effects in Layered Monoclinic Ferromagnet Cr$_{2.76}$Te$_4$

Shubham Purwar, Achintya Low+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2023

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本研究调查了单斜相 Cr₂.₇₆Te₄ 中的反常和拓扑霍尔效应，该材料是一种具有强磁晶各向异性的层状铁磁体。该体系由于偏斜散射而表现出较大的非本征反常霍尔效应，同时由于强各向异性稳定的非共面自旋结构而产生显著的拓扑霍尔效应，其最大拓扑霍尔电阻率在 50 K 至 150 K 之间达到 ~1.1 μΩ·cm。

ABSTRACT

We studied the electrical transport, Hall effect, and magnetic properties of monoclinic layered ferromagnet Cr$_{2.76}$Te$_4$. Our studies demonstrate Cr$_{2.76}$Te$_4$ to be a soft ferromagnet with strong magnetocrystalline anisotropy. Below 50 K, the system shows an antiferromagnetic-like transition. Interestingly, between 50 and 150 K, we observe fluctuating magnetic moments between in-plane and out-of-plane orientations, leading to non-coplanar spin structure. On the other hand, the electrical resistivity data suggest it to be metallic throughout the measured temperature range, except a $kink$ at around 50 K due to AFM ordering. The Rhodes-Wohlfarth ratio $\frac{μ_{eff}}{μ_{s}}=1.89 (>1)$ calculated from our magnetic studies confirms that Cr$_{2.76}$Te$_4$ is an itinerant ferromagnet. Large anomalous Hall effect has been observed due to the skew-scattering of impurities and the topological Hall effect has been observed due to non-coplanar spin-structure in the presence of strong magnetocrystalline anisotropy. We examined the mechanism of anomalous Hall effect by employing the first principles calculations.

研究动机与目标

• 研究单斜相 Cr₂.₇₆Te₄ 的电输运、霍尔效应和磁性，以评估其作为二维自旋电子学材料的潜力。
• 确定该层状铁磁体中反常霍尔效应（AHE）和拓扑霍尔效应（THE）的起源。
• 阐明磁晶各向异性和自旋涨落对稳定非共面自旋纹理的作用。
• 基于磁性和输运测量，确定 Cr₂.₇₆Te₄ 是否为巡游铁磁体。
• 将实验测得的霍尔响应与贝里曲率和自旋手性的一阶原理计算结果进行关联。

提出的方法

• 采用碘作为输运剂，通过化学气相输运（CVT）法生长出高质量的 Cr₂.₇₆Te₄ 单晶。
• 利用 X 射线衍射（XRD）和 Rietveld 精修确认其单斜晶体结构和相纯度。
• 采用标准四探针技术进行电阻率和霍尔测量，以提取输运和霍尔响应。
• 利用物理性质测量系统（PPMS）进行磁性测量，以确定饱和场、矫顽力和磁各向异性。
• 采用一阶原理计算评估费米能级附近贝里曲率对本征 AHE 的贡献。
• 从磁场依赖的磁化率和电阻率数据中提取磁晶各向异性能（Kᵤ），并与拓扑霍尔响应进行关联。

Figure 1: (a) XRD pattern from Cr 2.76 Te 4 single crystals. Inset in (a) shows the photographic image of the single crystals. (b) X-ray diffraction pattern from the crushed Cr 2.76 Te 4 single crystals, overlapped with Rietveld refinement. (c) Schematic crystal structure of Cr 2.76 Te 4 obtained fr

实验结果

研究问题

• RQ1 Cr₂.₇₆Te₄ 中大反常霍尔效应的起源是什么？它是本征的还是非本征的？
• RQ2 在该单斜相 CrₓTeᵧ 系统中，尽管具有中心对称性且缺乏反演对称性，拓扑霍尔效应的成因是什么？
• RQ3 磁晶各向异性如何影响 Cr₂.₇₆Te₄ 中非共面自旋结构的稳定？
• RQ4 在 50–150 K 温度范围内，自旋涨落在面内与面外取向之间的角色是什么？
• RQ5 实验测得的霍尔响应与一阶原理预测的贝里曲率和自旋手性相比如何？

主要发现

• Cr₂.₇₆Te₄ 是一种软铁磁体，具有可忽略的矫顽力和强磁晶各向异性，其磁化易轴沿 bc 平面方向。
• 在 50 K 以下，系统表现出类似反铁磁转变的特征，表现为电阻率出现拐点以及磁化率发生变化。
• 在 50 K 至 150 K 之间，Cr 自旋磁矩在面内与面外取向之间动态涨落，表明存在动态非共面自旋结构。
• 在整个测量温度范围内，电阻率呈金属性，且在约 50 K 处出现拐点，对应于类似反铁磁转变。
• 在 50–150 K 温度区间，拓扑霍尔电阻率达到最大值 ~1.1 μΩ·cm，表明存在强自旋手性和有限的贝里曲率。
• 一阶原理计算预测了由于费米能级附近存在非零贝里曲率而产生的本征 AHE，但实验结果表明 AHE 主要由非本征的偏斜散射机制主导。

Figure 2: (a) Temperature dependent magnetization $M(T)$ measured under ZFC and FC modes with a magnetic field $H$ =1000 Oe for $H\parallel\it{a}$ and $H\parallel\it{bc}$ . (b) Variation of magnetization $\Delta$ M=(M FC -M FC ) plotted as a function of temperature. Inset in (b) shows first derivati