Kristallstruktur och spinnstruktur av Mn3Sn. (A) Kristallstruktur av Mn3Sn, som består av staplade Kagome Mn3Sn-lager, och (B) triangulär spinnstruktur i Kagome-skiktet (ab-plan). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc1977
Framväxande kvantmaterial kan definieras av topologi och starka elektronkorrelationer, även om deras tillämpningar i experimentella system är relativt begränsade. Weyl-halvmetaller som innehåller magnetism erbjuder en unik och fertil plattform för att utforska framväxande fenomen i utvecklingen av topologisk materia och topologisk spintronik. Den triangulära antiferromagneten Mn 3 Sn uppvisar många exotiska fysikaliska egenskaper som en antiferromagnetisk (AFM) Weyl-halvmetall (WSM), inklusive en attraktivt stor spontan Hall-effekt.
Den spontana Hall-effekten upptäcktes för mer än ett sekel sedan och förstods i termer av tidsomkastande symmetri som bryts av den interna spinnstrukturen hos antiferromagnetiska, ferromagnetiska eller skyrmioniska (små virvlande topologiska defekter i magnetiseringen) former.
I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Durga Khadka och ett team av forskare inom fysik, materialvetenskap, neutronforskning och ingenjörskonst i USA rapporterade syntesen av epitaxiell Mn 3+x Sn 1−x filmer med kompositioner som liknar bulkprover. När de ersatte tenn (Sn) atomerna med magnetiska mangan (Mn) atomer i proverna, de noterade Kondo-effekten; ett berömt exempel på starka samband som dyker upp, utveckla sedan koherens och inducera en hybridiseringsenergigap. Processen med magnetisk dopning och gapöppning underlättade rika extraordinära egenskaper för de nya materialen.
Weyl semimetaller och Kondo-effekten
Materialforskare studerar bandstrukturens topologi och design av material som en allt viktigare egenskap som bidrar till många exotiska beteenden i nya kvantmaterial. Bandteorin eller bandstrukturen definierar det kvantmekaniska beteendet hos elektroner i fasta ämnen. Bandstrukturtopologi är avgörande för att förstå utvecklingen av gaplösa topologiska halvmetaller som Weyl-halvmetaller (WSM) och Dirac-halvmetaller som är tredimensionella (3-D) analoger av grafen.
Weyl-halvmetaller är fasta kristaller med lågenergiexcitationer kända som Weyl-fermioner som bär elektrisk laddning under rumstemperatur. Lednings- och valensbanden för WSM korsar vid specifika punkter i momentumrymden, känd som Weyl noder, och deras avstånd dikterar i sin tur omfattningen av den inneboende anomala Hall-effekten – en effekt som observeras i fasta ämnen med bruten tidsomkastningssymmetri eller bevarande av entropi. Weylnoder visas som icke-degenererade par med motsatt kiralitet. Arbetet hittills med WSM har fokuserat på svagt interagerande system med ett växande behov av att inkludera effekterna av starka elektronkorrelationer. Kondo-effekten är ett klassiskt exempel på starkt korrelerat beteende som härrör från kopplingen mellan spinn av ledningselektroner och lokala magnetiska moment. Detta arbete föreslår WSMs som en bördig plattform för att studera nya kvantfaser på grund av samspelet mellan Weyl- och Kondo-fysiken.
Spinstrukturer och magnetiskt fasdiagram av Mn3Sn. Överst:Mn-spinnstrukturer (två Mn3Sn-lager längs c-axeln). Nederst:magnetiskt fasdiagram av Mn3Sn. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc1977 
Teamet valde den antiferromagnetiska Weyl semi-magnetic metal (WSM) Mn 3 Sn som ett lovande material för att studera begreppen. I Mn 3 Sn hexagonal struktur, Mn-atomerna bildade ett 2-D Kagome-gitter (ett vävt mönster som består av sammanflätade trianglar) med Sn-atomer som sitter i hexagoncentrumen. Forskarna använde vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopi (ARPES) mätningar för att observera de strukturella egenskaperna. De enastående topologiska och spintroniska egenskaperna tillsammans med starka korrelationer gjorde Mn 3 Sn en idealisk plattform för att studera mångfacetterad fysik mellan topologi, magnetism, starka korrelationer och framväxande antiferromagnetisk spintronik.
Khadka et al. utvecklat epitaxiella filmer av hög kvalitet och observerade Kondo-effekter i filmer med överskott av Mn, som fungerade som ett dopmedel i systemet efter att ha ersatt Sn. När de ökade Mn-dopningen, systemet utvecklade Kondo-koherens och öppnade ett hybridiseringsgap. Mn 3 Sn uppvisade en starkt anisotrop Hall-effekt. Teamet använde co-sputtering av Mn- och Sn-mål för att realisera epitaxiell tillväxt och skapa Mn 3+x Sn 1−x filmer. Med hjälp av röntgendiffraktionsmönster (XRD) noterade de frånvaron av föroreningstoppar i materialet och med hjälp av atomkraftsmikroskopi noterade de att ytråheten var cirka 0,4 nanometer. Tidigare forskningsstudier hade visat stabiliteten hos hexagonal Mn 3 Sn-filmer efter överskott av Mn-atomer ersatte Sn-atomerna. Följaktligen, dopning med Mn justerade effektivt bandstrukturtopologin och Hall-effekter i Mn 3+x Sn 1−x filmer gjorde det möjligt för forskarna att utforska nya och ovanliga samband för att förstå samspelet mellan Weyl och korrelationsfysik på en idealisk plattform.
Utveckling av Kondo-effekt och gapöppning i Mn3+xSn1−x-filmer. Normaliserad resistans γ som funktion av temperatur för olika x (A), för (B) x =0,27, (C) x =0,39, (D) x =0,44, och (E) x =0,55, respektive. Insättning av (E):ln(G − GT=5K) som en funktion av 1/T, och linjär passning (röd linje) ger ett gapvärde på 10,2 meV. (F) Överföring av x =0,47 (röd) och x =0,13 (violetta) sampel som en funktion av frekvensen. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc1977 
Teamet visade vidare starkare bevis för lucköppning av filmerna med hjälp av terahertz Faraday-rotationsmätningar. När de dopade Weyl-halvmetallen (WSM) med magnetiska Mn-atomer, de noterade en möjlig övergång från Kondo-effekten till Kondo-isolatorn; en ny klass av topologisk materia, där effekterna var oberoende av den kristallina tillväxtorienteringen. Eftersom den stora spontana anomala Hall-resistensen (AHR) som härrörde från Weyl-noderna tidigare utgjorde en framträdande transportfunktion i bulk Mn 3 Sn, Khadka et al. identifierade på liknande sätt Weyl-naturen hos den tunna filmen som används här med Hall-mått. De totala Hall-resistivitetsberäkningarna beaktade magnetiseringen, vanlig Hall-koefficient och magnetisk permeabilitet för de resulterande ovanliga Hall-motstånden i filmerna.
Anomala Hall-effekter och fasdiagram för Mn3+xSn1−x-filmer. (A) Anomal Hall-resistivitet ρ∗AHR som funktion av temperatur för olika kompositioner för (112¯0) filmer. (B) Färgad konturkarta av ρ∗AHR i T-x-planet för (112¯0) filmer. Höger y-axel:−ρ∗AHR (T =300 K) som funktion av x. Insättning av (B):Schematiska diagram av Weyl-koner med motsatt kiralitet och gapad kon. (C) Anomal Hall-resistivitet ρ∗AHR för (0001) filmer som en funktion av temperaturen för x =0,21 (fyllda cirklar) och x =0,51 (öppna rutor), respektive. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc1977
Ovanlig magnetresistans
Khadka et al. registrerade sedan negativ magnetoresistans (NMR) som en annan viktig transportfunktion i Weyl-halvmetaller på grund av materialets kirala anomali. Till exempel, när de applicerade ett magnetfält i strömriktningen, en kiral laddningsström drev från en Weyl-nod till dess motsvarighet med motsatt kiralitet. Den kombinerade kirala strömmen förbättrade den elektriska ledningsförmågan under experimentet, ger upphov till negativ magnetoresistans (NMR) – en egenskap som visade konsekvenserna av dopning av magnetiska Mn-atomer.
På det här sättet, Durga Khadka och kollegor utvecklade antiferromagnetisk Weyl semimetal Mn 3+x Sn 1−x tunna filmer med överlägsen provkvalitet. Den spännande klassen av material gav en plattform för att studera samspelet mellan starka elektronkorrelationer, topologi och magnetism. Teamet ersatte tenn (Sn) med magnetiskt mangan (Mn) för att realisera en Kondo-effekt som ledde till att ett hybridiseringsgap öppnades, åtföljd av minskat Hallmotstånd. Arbetet ligger till grund för ytterligare studier av relaterade material inklusive elektronlokalisering genom dopning av atomer med olika element inklusive järn, kobolt, koppar eller gadolinium. Teamet kan ytterligare trimma spin-orbit-koppling av de tunna filmerna genom att dopa tunga element som bly (Pb).
Magnetresistanser för (0001) Mn3+xSn1−x filmer. Resistansförändring [R(H) − R(H =0)] som funktion av fält för (A) x =0,16 och (B) x =0,51 vid T =2 K (blå) och T =300 K (röd) . Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc1977
Eftersom konventionella kollinjära antiferromagnetiska material inte uppvisar onormala Hall-resistanseffekter på grund av deras försvinnande små magnetiseringsegenskaper, de är inte bra kandidater för antiferromagnetisk spintronik. I kontrast, de rika kolinjära spinnstrukturerna, och betydande Hall-motstånd från Mn 3 Sn-familjen av föreningar som introduceras i detta arbete gör den till en lovande kandidat för sådana tillämpningar. Dessa tunna filmer kommer att erbjuda nya paradigm för att driva fram det framväxande området av topologisk antiferromagnetisk spintronik för att utveckla nya spin-baserade enheter.
© 2020 Science X Network
