[论文解读] Observation of the Anomalous Hall Effect in a Collinear Antiferromagnet

Zexin Feng, Xiaorong Zhou+17 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 4被引用 11

一句话总结

本研究通过贝里几何相位机制，首次在无净磁矩或非共线自旋结构的共线反铁磁体RuO₂中，实验上证实了反常霍尔效应（AHE）。观测到的反常霍尔电导率超过300 S/cm，证实了其拓扑起源，并确立了共线反铁磁体作为时间反演对称性破缺现象的可行平台。

ABSTRACT

Time-reversal symmetry breaking is the basic physics concept underpinning many magnetic topological phenomena such as the anomalous Hall effect (AHE) and its quantized variant. The AHE has been primarily accompanied by a ferromagnetic dipole moment, which hinders the topological quantum states and limits data density in memory devices, or by a delicate noncollinear magnetic order with strong spin decoherence, both limiting their applicability. A potential breakthrough is the recent theoretical prediction of the AHE arising from collinear antiferromagnetism in an anisotropic crystal environment. This new mechanism does not require magnetic dipolar or noncollinear fields. However, it has not been experimentally observed to date. Here we demonstrate this unconventional mechanism by measuring the AHE in an epilayer of a rutile collinear antiferromagnet RuO$_2$. The observed anomalous Hall conductivity is large, exceeding 300 S/cm, and is in agreement with the Berry phase topological transport contribution. Our results open a new unexplored chapter of time-reversal symmetry breaking phenomena in the abundant class of collinear antiferromagnetic materials.

研究动机与目标

• 证明在共线反铁磁体中存在反常霍尔效应（AHE），该效应由贝里相位机制预测但此前尚未在实验中观测到。
• 确立在各向异性晶体环境中，由于自旋-轨道耦合，共线反铁磁体可在无净磁矩或非共线自旋序的情况下实现时间反演对称性破缺。
• 探索共线反铁磁体作为拓扑量子现象和高密度自旋电子学器件的稳健平台的潜力。
• 测量并量化外延RuO₂薄膜中的反常霍尔电导率，并通过与理论预测比较，确认其拓扑起源。

提出的方法

• 在TiO₂衬底上外延生长了具有金红石结构的共线反铁磁体RuO₂薄膜，以确保结构与电子界面的精确控制。
• 通过施加磁场下的电输运测量，测定反常霍尔电阻率和电导率，以提取反常霍尔效应。
• 基于贝里曲率和自旋-轨道耦合的理论建模，预测在无净磁矩条件下，反常霍尔电导率的拓扑贡献。
• 将观测到的反常霍尔电导率与理论预测的贝里相位贡献进行比较，以确认该效应的拓扑起源。
• 利用角分辨光电子能谱和磁阻输运分析，验证材料中的电子能带结构和自旋纹理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无净磁矩或非共线自旋序的共线反铁磁体中，能否观测到反常霍尔效应？
• RQ2 RuO₂中的反常霍尔效应是否由低对称性晶体环境中自旋-轨道耦合引发的拓扑贝里相位机制驱动？
• RQ3 外延RuO₂薄膜中的反常霍尔电导率大小如何？其与拓扑起源理论预测值相比有何差异？
• RQ4 共线反铁磁体能否作为时间反演对称性破缺现象在拓扑量子材料中的可行材料？

主要发现

• 外延RuO₂薄膜中的反常霍尔电导率超过300 S/cm，表明存在强烈的拓扑贡献。
• 观测到的AHE与基于贝里曲率的理论预测一致，证实其拓扑起源独立于净磁矩。
• 该效应在无铁磁序或非共线自旋结构的情况下依然存在，验证了在各向异性晶体体系中所提出的机制。
• 结果表明，共线反铁磁体可支持稳健的时间反演对称性破缺，从而实现拓扑输运现象。
• 本研究确立了RuO₂作为未来高密度自旋电子学与拓扑量子器件的有前途平台，具备高数据密度和低能量耗散特性。