[论文解读] Magnetoresistance driven by the magnetic Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition

Benedetta Flebus|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 47被引用 15

一句话总结

本文提出，在二维金属铁磁体中，高于贝列津-科斯特利茨-索利斯（BKT）转变温度时，磁阻源于电子对拓扑磁缺陷——子旋和反子的散射。通过双流体模型与玻尔兹曼输运理论，研究证明电阻率随这些缺陷密度呈指数增长，预测了一种巨大且温度依赖的磁阻效应，且该效应可被平面内磁场抑制。

ABSTRACT

While the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition (BKT) has been under intense scrutiny for decades, unambiguous experimental signatures in magnetic systems remain elusive. Here, we investigate the interplay between electronic and magnetic degrees of freedom near the BKT transition. Focusing on a metal with easy-plane ferromagnetic order, we establish a framework that accounts both for the coupling between the charge current and the flow of topological magnetic defects and for electron scattering on their inhomogeneous spin texture. We show that electron scattering is responsible for a temperature-dependent magnetoresistance effect scaling as the density of the topological defects, which is expected to increase dramatically above the BKT transition temperature. Our findings call for further experimental investigations.

研究动机与目标

• 建立一个将电子输运与BKT转变附近的拓扑磁缺陷联系起来的理论框架。
• 研究电子在子旋和反子非均匀自旋织构上的散射如何导致电阻率增加。
• 确定在TBKT以上拓扑缺陷的增殖是否导致可观测的、温度依赖的磁阻效应。
• 探索平面内磁场对这一效应的抑制作用，为实验提供潜在观测信号。

提出的方法

• 在连续极限下建立二维各向异性的易平面海森堡哈密顿量，描述具有拓扑缺陷的铁磁序。
• 引入双流体模型，通过集体坐标动力学将电子流与磁缺陷流耦合。
• 应用昂萨格对称性关系与玻尔兹曼输运理论，推导缺陷散射与缺陷-电流耦合引起的电阻率修正。
• 利用相关长度 ξ(T) = a₀exp(b/√τ) 估算TBKT以上缺陷密度 n(T) ≈ ξ(T)⁻²。
• 推导出电阻率表达式 ρₑ ∝ 1/τi + 1/τv，其中 τv 为缺陷散射弛豫时间。
• 表明缺陷散射主导电阻率，导致在TBKT以上 ρₑ ∝ n(T) ∝ exp(2b/√τ)。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子在子旋和反子自旋织构上的散射如何影响二维金属铁磁体中的电阻力？
• RQ2 在BKT转变以上，拓扑缺陷引起的电阻率修正具有何种温度依赖性？
• RQ3 平面内磁场如何抑制BKT转变及由此产生的磁阻效应？
• RQ4 电阻率随拓扑缺陷密度的标度关系能否作为磁性BKT转变的可探测信号？

主要发现

• 电子在子旋织构上的散射引起的电阻率修正主导于缺陷-电流耦合，其标度关系为 ρₑ ∝ n(T)。
• 缺陷密度 n(T) 在TBKT以上呈指数增长，满足 n(T) ≈ ξ(T)⁻²，其中 ξ(T) = a₀exp(b/√τ)。
• 由此产生的磁阻效应标度为 ρ(B=0,T) − ρ(B,T) ∝ n(T)，表现出巨大且温度依赖的增强。
• 平面内磁场抑制BKT转变及缺陷的增殖，从而降低电阻率增强。
• 该理论预测在TBKT以上电阻率出现可测量的指数上升，为磁性BKT转变提供了清晰的实验信号。
• 该理论框架可推广至其他具有拓扑缺陷的U(1)对称自旋系统，并可进一步扩展以包含自旋波与磁子拖曳效应。