[论文解读] Large anomalous Nernst effect in a van der Waals ferromagnet Fe$_3$GeTe$_2$

Jinsong Xu, W. Adam Phelan+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

2D Materials and Applications被引用 7

一句话总结

本研究报道了在范德华铁磁体 Fe₃GeTe₂ 中观测到巨大的反常能斯特效应，其反常能斯特角和反常霍尔角分别达到 0.09 和 0.07，显著高于传统铁磁体。该效应源于费米能级附近的巨大贝里曲率，表明其具有拓扑特性，并支持 Fe₃GeTe₂ 作为潜在的拓扑节点线半金属，具有自旋热电应用前景。

ABSTRACT

Anomalous Nernst effect, a result of charge current driven by temperature gradient, provides a probe of the topological nature of materials due to its sensitivity to the Berry curvature near the Fermi level. Fe3GeTe2, one important member of the recently discovered two-dimensional van der Waals magnetic materials, offers a unique platform for anomalous Nernst effect because of its metallic and topological nature. Here, we report the observation of large anomalous Nernst effect in Fe3GeTe2. The anomalous Hall angle and anomalous Nernst angle are about 0.07 and 0.09 respectively, far larger than those in common ferromagnets. By utilizing the Mott relation, these large angles indicate a large Berry curvature near the Fermi level, consistent with the recent proposal for Fe3GeTe2 as a topological nodal line semimetal candidate. Our work provides evidence of Fe3GeTe2 as a topological ferromagnet, and demonstrates the feasibility of using two-dimensional magnetic materials and their band topology for spin caloritronics applications.

研究动机与目标

• 研究具有潜在拓扑特性的二维范德华铁磁体 Fe₃GeTe₂ 中的反常能斯特效应。
• 通过其对热梯度的响应，探究 Fe₃GeTe₂ 的拓扑特性。
• 评估具有非平庸能带拓扑结构的二维磁性材料在自旋热电应用中的可行性。
• 确定反常能斯特效应的大小及其与该材料中贝里曲率的关系。

提出的方法

• 在机械剥离的 Fe₃GeTe₂ 微小薄片上施加热梯度，测量反常能斯特电压。
• 利用莫特关系，从反常能斯特角和反常霍尔角中提取贝里曲率。
• 在机械剥离的 Fe₃GeTe₂ 微小薄片上制备霍尔条形器件，用于电输运测量。
• 分析温度依赖的输运数据，以将反常能斯特效应与普通能斯特效应分离。
• 将实验测得的角度与拓扑节点线半金属的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fe₃GeTe₂ 中反常能斯特效应的大小是多少？与传统铁磁体相比如何？
• RQ2 Fe₃GeTe₂ 中的反常能斯特效应如何与费米能级附近的贝里曲率相关？
• RQ3 根据近期的理论推测，Fe₃GeTe₂ 是否是一种拓扑节点线半金属？
• RQ4 Fe₃GeTe₂ 中巨大的反常能斯特效应是否可归因于其本征的拓扑电子结构？
• RQ5 基于其反常能斯特响应，Fe₃GeTe₂ 在自旋热电应用方面具有怎样的潜力？

主要发现

• Fe₃GeTe₂ 中的反常能斯特角达到 0.09，显著高于传统铁磁体中的典型值。
• 反常霍尔角测量值约为 0.07，表明存在强烈的自旋-轨道耦合以及非平庸的能带拓扑结构。
• 巨大的反常能斯特角和反常霍尔角与费米能级附近的巨大贝里曲率一致。
• 观测到的输运响应支持了理论推测，即 Fe₃GeTe₂ 是一种拓扑节点线半金属。
• 结果表明，具有非平庸拓扑结构的二维磁性材料在自旋热电应用中具有可行性。