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

Zexin Feng, Xiaorong Zhou+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 11

一句话总结

该论文报告了在RuO2中实验观测到晶体霍尔效应，RuO2是一种具有零净磁矩的共线反铁磁体，其非传统自旋能级分裂源于复杂的晶体结构和反铁磁序，导致约330 S/cm的较大霍尔电导率。该效应无耗散，起源于拓扑贝里曲率，揭示了一种超越传统自旋简并性破缺的异常霍尔输运新机制。

ABSTRACT

An electric current passing through a magnetic conductor can generate a dissipationless transversal current of topological Berry curvature origin. This anomalous Hall effect requires the breaking of spin-degeneracy of electronic bands, conventionally arising from a macroscopic moment in ferromagnets, or a non-collinear magnetic order in complex magnets. Here we report the experimental observation of a new anomalous Hall effect mechanism - the crystal Hall effect - in a system with the abundant collinear antiferromagnetic order. We detect a large crystal Hall conductivity of ~330 S/cm, consistent with our density functional theory calculations, by performing Hall measurements up to 50 T on high quality epilayers of RuO2. We demonstrate that this crystal Hall effect is an experimental manifestation of unconventional spin-splitting originating from a complex crystal structure in combination with collinear antiferromagnetism with zero net moment. This opens a previously unexplored chapter, associated with the new spin-splitting physics, of dissipationless transport and other quantum and topological phenomena in condensed matter.

研究动机与目标

• 识别并实验演示在无净磁矩系统中异常霍尔效应的新机制。
• 研究复杂晶体结构和共线反铁磁性在产生非传统自旋能级分裂中的作用。
• 确立无耗散横向电流可通过对称性破缺的拓扑贝里曲率在零净磁矩反铁磁体中出现。
• 探索反铁磁材料作为拓扑和量子输运现象平台的潜力。

提出的方法

• 在高达50 T的磁场下，对高质量外延RuO2薄膜进行高精度霍尔测量。
• 使用密度泛函理论（DFT）计算模拟电子能带结构并预测晶体霍尔电导率。
• 分析霍尔电阻率响应，以识别非耗散横向电流贡献。
• 将实验测得的霍尔电导率与贝里曲率诱导自旋能级分裂的理论预测进行关联。
• 聚焦于具有共线反铁磁序和零净磁矩的体系，以隔离晶体霍尔效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有零净磁矩的共线反铁磁体中，能否出现无耗散霍尔效应？
• RQ2 在无宏观磁化强度的情况下，自旋能级分裂的起源是什么？
• RQ3 RuO2的复杂晶体结构如何贡献于拓扑输运性质？
• RQ4 所观测到的霍尔电导率在多大程度上源于贝里曲率而非传统机制？

主要发现

• 在高磁场下，实验观测到RuO2中存在约330 S/cm的较大晶体霍尔电导率。
• 观测到的霍尔响应与预测贝里曲率驱动输运的密度泛函理论计算结果一致。
• 该效应源于晶体结构与共线反铁磁序相互作用引起的非传统自旋能级分裂。
• 该机制无需净磁矩，因此与传统异常霍尔效应相区别。
• 结果表明，无耗散输运可通过拓扑电子结构在反铁磁体系中实现。