[论文解读] Oxygen vacancy-induced anomalous Hall effect in a non-magnetic oxide

Athby H. Al‐Tawhid, Jesse Kanter+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2021

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 37被引用 4

一句话总结

本研究展示了在本征非磁性氧化物 KTaO3 中，由于氧空位的存在，出现了反常霍尔效应（AHE），氧空位诱导了局域磁矩，导致传导电子发生非对称散射。AHE 从非本征机制向本征机制转变，且在低温（T < 5 K）下受贝里曲率主导，揭示了非磁性氧化物中 AHE 的多体机制。

ABSTRACT

The anomalous Hall effect, a hallmark of broken time-reversal symmetry and spin-orbit coupling, is frequently observed in magnetically polarized systems. Its realization in non-magnetic systems, however, remains elusive. Here, we report on the observation of anomalous Hall effect in nominally non-magnetic KTaO3. Anomalous Hall effect emerges in reduced KTaO3 and shows an extrinsic to intrinsic crossover. A paramagnetic behavior is observed in reduced samples using first principles calculations and quantitative magnetometry. The observed anomalous Hall effect follows the oxygen vacancy-induced magnetization response, suggesting that the localized magnetic moments of the oxygen vacancies scatter conduction electrons asymmetrically and give rise to anomalous Hall effect. The anomalous Hall conductivity becomes insensitive to scattering rate in the low temperature limit (T<5 K), implying that the Berry curvature of the electrons on the Fermi surface controls the anomalous Hall effect. Our observations describe a detailed picture of many-body interactions, triggering anomalous Hall effect in a non-magnetic system.

研究动机与目标

• 研究在通常不存在反常霍尔效应的非磁性氧化物中，反常霍尔效应（AHE）的起源。
• 确定 KTaO3 中的氧空位是否能在无长程磁序的情况下诱导磁性并触发 AHE。
• 阐明缺陷诱导磁性、电子散射与拓扑效应在非磁性氧化物中的相互作用。
• 确立贝里曲率在低温区域主导 AHE 的作用。

提出的方法

• 采用第一性原理计算模拟氧空位掺杂 KTaO3 的电子结构和磁响应。
• 利用定量磁测量确认还原态 KTaO3 样品的顺磁行为。
• 通过输运测量提取反常霍尔电导率，并分析其与温度和散射率的依赖关系。
• 在非本征（杂质散射）和本征（贝里曲率）机制的背景下分析反常霍尔电导率。
• 研究低温行为（T < 5 K），以分离贝里曲率对 AHE 的贡献。
• 建立氧空位、局域磁矩与电子散射之间相互作用的模型，以解释非对称散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无长程磁序的情况下，反常霍尔效应是否可能在非磁性氧化物 KTaO3 中出现？
• RQ2 氧空位在诱导 KTaO3 中磁性并促成反常霍尔效应中起什么作用？
• RQ3 在还原态 KTaO3 中，反常霍尔效应是否主要由非本征散射还是本征贝里曲率效应主导？
• RQ4 反常霍尔电导率在低温下的行为如何？这对其潜在机制有何启示？
• RQ5 氧空位与传导电子之间的多体相互作用在多大程度上主导了反常霍尔响应？

主要发现

• 在还原态 KTaO3（一种本征非磁性钙钛矿氧化物）中观察到反常霍尔效应，其成因是氧空位。
• 氧空位诱导出局域磁矩，导致传导电子发生非对称散射，从而产生反常霍尔效应。
• 反常霍尔效应随温度降低，表现出从非本征机制向本征机制的转变。
• 在低温（T < 5 K）下，反常霍尔电导率对散射率不敏感，表明其受费米面上贝里曲率的控制。
• 第一性原理计算与磁测量结果一致表明，还原态 KTaO3 呈现顺磁响应，支持无长程磁序的存在。
• 结果揭示了一种多体机制，涉及缺陷诱导磁性与拓扑电子输运，存在于非磁性氧化物体系中。