[论文解读] Probing the Anomalous Hall Transport and Magnetic Reversal of Chiral-Lattice Antiferromagnet Co$_{1/3}$NbS$_2$

Pingfan Gu, Yuxuan Peng+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究探究了机械剥离的Co₁/₃NbS₂纳米片中巨大反常霍尔效应（AHE）和反常能斯特效应（ANE）的本征起源，通过Mott关系分析表明，这些效应源于大的本征贝里曲率。磁化反转受畴壁运动主导，连续磁化循环中临界场Hc的观测表现出记忆效应，为手性晶格反铁磁体的拓扑与动力学特性提供了新见解。

ABSTRACT

Antiferromagnets exhibiting giant anomalous Hall effect (AHE) and anomalous Nernst effect (ANE) have recently aroused broad interest, not only for their potential applications in future electronic devices, but also because of the rich physics arising from the Berry curvature near the Fermi level. $ m{Co_{1/3}NbS_2}$, by intercalating $ m{Co^{2+}}$ ions between $ m{NbS_2}$ layers, is a quasi-two-dimensional layered antiferromagnet with a chiral lattice. A large AHE has been observed in $ m{Co_{1/3}NbS_2}$, but its origin is under debate. In this letter, we report the large AHE and ANE in exfoliated $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ flakes. By analyzing the thermoelectric data via the Mott relation, we determined that the observed large AHE and ANE primarily result from the intrinsic Berry curvature. We also observed the magnetic domains in $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ by reflective magnetic circular dichroism measurements. Combined with electrical transport measurements, we confirmed that the magnetic reversal in $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ is determined by domain wall motion, and the critical field ($H_c$) exhibits a memory effect of consecutive magnetic sweeps. Our work provides insight into the topological properties of $ m{Co_{1/3}NbS_2}$ and paves the way to studying the spin configuration and magnetic domain dynamics in this fascinating antiferromagnet.

研究动机与目标

• 确定机械剥离的Co₁/₃NbS₂纳米片中巨大反常霍尔效应（AHE）和反常能斯特效应（ANE）的起源。
• 澄清AHE与ANE是否源于本征贝里曲率，而非无序或斜向散射等非本征机制。
• 研究Co₁/₃NbS₂中的磁化反转机制，并确定畴壁运动在场依赖磁化行为中的作用。
• 探索在重复磁化场循环中临界场Hc是否存在记忆效应。
• 利用反射式磁圆二色性（RMCD）提供磁畴的光学证据，并将其与输运行为相关联。

提出的方法

• 采用机械剥离法制备Co₁/₃NbS₂的单晶纳米片，并通过原子力显微镜表征以确认其厚度。
• 在物理性质测量系统（PPMS）中进行四点交流输运测量，施加最高14 T的磁场，以提取ρxx、ρxy、Sxx和Sxy。
• 通过四探针电阻和温度传感器校准热电功率因子，实现Mott关系的精确应用，从而建立输运系数与热电系数之间的关联。
• 在低至1.6 K的温度下，利用HeNe激光和光弹调制器进行反射式磁圆二色性（RMCD）测量，以检测反射光中圆偏振度的差异。
• 通过扫描样品台进行RMCD测绘，实现对磁畴的空间分辨。
• 连续施加磁化场循环，测量临界场Hc的演化，观察到非单调减小，与记忆效应一致。

Figure 1: Basic characterizations of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ . (a), The crystal structure of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ viewed along the axis perpendicular to the $bc$ plane. (b), The measured temperature-dependent out-of-plane susceptibility of single crystal $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ bulk with ZFC, 0.1 T

实验结果

研究问题

• RQ1 Co₁/₃NbS₂中巨大反常霍尔效应的主要起源是外禀散射还是本征贝里曲率？
• RQ2 Co₁/₃NbS₂中的反常能斯特效应如何与贝里曲率及费米能级附近的电子结构相关？
• RQ3 Co₁/₃NbS₂中磁化反转的机制是什么？是否主要由畴壁运动主导？
• RQ4 在重复磁化场循环中，磁化反转的临界场Hc是否表现出记忆效应？这对畴壁动力学有何启示？
• RQ5 反射式磁圆二色性（RMCD）能否提供磁畴的光学证据，并与输运异常相关联？

主要发现

• 对热电与输运数据的Mott关系分析证实，Co₁/₃NbS₂中巨大的AHE与ANE主要源于本征贝里曲率，而非外禀机制。
• 观测到显著的RMCD信号，RMCD测绘成功分辨出不同的磁畴，为非共面自旋结构与大贝里曲率提供了光学证据。
• Co₁/₃NbS₂中的磁化反转主要由畴壁运动主导，这一结论得到场依赖霍尔电阻与磁滞行为的证实。
• 临界场Hc在连续磁化场循环中单调减小，表明存在记忆效应，可能与手性畴壁动力学或交换偏置有关。
• 观测到的极大AHE与ANE值与非共面自旋结构一致，支持涉及标量自旋手性与虚构磁场的理论模型。
• 低温下输运与热电数据中的异常现象表明，费米能级附近可能存在显著的磁涨落或电子相变。

Figure 2: Electrical transport and thermoelectric measurements of $\rm{Co_{1/3}NbS_{2}}$ . (a), Temperature-dependent longitudinal and transverse resistivity. (b), AHE angle $\theta_{H}=|\frac{\sigma_{xy}}{\sigma_{xx}}|$ versus temperature, extracted from (a). The inset shows the optical image of th