[论文解读] Scaling Analysis of Anomalous Hall Resistivity in the Co$_{2}$TiAl Heusler Alloy

Rudra Prasad Jena, Devendra Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2019

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用 6

一句话总结

本研究通过全面的磁电输运测量，探究了Co₂TiAl Heusler合金中的反常霍尔效应（AHE），结果表明，扭曲散射主导了非本征AHE机制，而侧跳贡献则源于电子-磁振子自旋翻转散射。AHE与纵向电阻率的标度关系证实了其非本征起源，且磁阻与侧跳AHE之间的强相关性证实了电子-磁振子散射是侧跳贡献的来源。

ABSTRACT

A comprehensive magnetotransport study including resistivity ($\ ho_{xx}$) at various fields, isothermal magnetoresistance and Hall resistivity ($\ ho_{xy}$) has been carried out at different temperatures on the Co$_{2}$TiAl Heusler alloy. Co$_{2}$TiAl alloy shows a paramagnetic (PM) to ferromagnetic (FM) transition below the curie temperature (T$_{C}$) $\\sim$ 125 K. In the FM region, resistivity and magnetoresistance reveals a spin flip electron-magnon scattering and the Hall resistivity unveils the anomalous Hall resistivity ($\ ho_{xy}^{AH}$). Scaling of anomalous Hall resistivity with resistivity establishes the extrinsic scattering process responsible for the anomalous hall resistivity; however Skew scattering is the dominant mechanism compared to the side-jump contribution. A one to one correspondence between magnetoresistance and side-jump contribution to anomalous Hall resistivity verifies the electron-magnon scattering being the source of side-jump contribution to the anomalous hall resistivity.

研究动机与目标

• 为了理解Co₂TiAl中反常霍尔电阻率（ρxyAH）的起源，该合金是一种研究较少的钴基Heusler合金。
• 为了区分铁磁态下AHE中本征、扭曲散射和侧跳贡献的来源。
• 为了确定电子-磁振子散射在介导AHE侧跳贡献中的作用。
• 为了建立ρxyAH与ρxx之间的标度关系，以识别主导的散射机制。

提出的方法

• 使用带有交流电输运选项的PPMS，将四探针电阻率和磁阻测量降至2 K。
• 在高达9 T的磁场下进行五探针霍尔电阻率测量，以从总ρxy中提取ρxyAH。
• 利用标度模型分析温度依赖的ρxx和ρxy：ρxyAH(T) = α₀ρxx₀ + α₁ρxxT + β₀ρxx₀² + β₁ρxxT²。
• 通过分析标度模型中各项的温度依赖性，将本征、扭曲散射和侧跳贡献分离。
• 利用电阻率变化（Δρxx）与侧跳AHE（ρxyAH-SJ）之间的相关性，检验侧跳的电子-磁振子散射起源。
• 通过Rietveld精修的X射线衍射（XRD）确认了Co₂TiAl样品的L2₁ Heusler结构和相纯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么主导了Co₂TiAl中反常霍尔电阻率的散射机制？
• RQ2 AHE的扭曲散射和侧跳贡献如何随纵向电阻率变化？
• RQ3 AHE侧跳贡献的温度依赖性是否与电子-磁振子散射相关？
• RQ4 磁阻与侧跳AHE之间能否建立相关性，以确认其共同的散射起源？
• RQ5 本征AHE贡献在此体系中是否保持温度不变？

主要发现

• 扭曲散射主导了Co₂TiAl中的反常霍尔电阻率，其贡献几乎比侧跳或本征机制高出一个数量级。
• ρxyAH与ρxx的标度关系证实了AHE的非本征起源，且与模型ρxyAH(T) = α₀ρxx₀ + α₁ρxxT + β₀ρxx₀² + β₁ρxxT²拟合良好。
• AHE的侧跳贡献（ρxyAH-SJ）在50 K以上表现出强烈的温度依赖性，其大小随温度升高而增加。
• 磁阻（Δρxx）与ρxyAH-SJ的温度依赖性之间存在直接相关性，证实了电子-磁振子自旋翻转散射是侧跳贡献的来源。
• 本征AHE贡献预计为温度无关，但观测到的ρxyAH-(SJ,I)温度依赖性归因于侧跳，而非本征效应。
• 反常霍尔电阻率在居里温度（TC ≈ 125 K）处出现峰值，与顺磁-铁磁转变时增强的自旋涨落一致。