Science Advances: 非零贝里曲率的非线性反铁磁Mn3Ge驱动下产生的大反常霍尔效应

引言：

铁磁性物质具有反常的霍尔效应，因此没有净磁化强度的反铁磁性物质应表现出正常霍尔效应。与铁磁性物质相比，非线性三角反铁磁性物质Mn3Ge与铁磁性金属有很大的反常霍尔效应。其来源于手性自旋结构所产生的非零贝里曲率；同时导致了一个更大的霍尔效应。

            图一：Mn3Ge的晶体结构、磁结构和贝里曲率

图一给出了Mn3Ge的晶体结构、磁结构和贝里曲率。如图一A：Mn3Ge的六边形单元由两层Mn沿着c轴方向堆叠。在每一层中，Mn原子形成Kagome晶格，Ge在一个六边形的中心。通过计算Mn3Ge的磁基态，可以得出能量最低的自旋状态，如图一B。从图一中可以看出，形成Mn3Ge的两个磁层的原始单元可以关于xz平面镜像对称。图一D是在xz平面上的计算值。分布很不均匀，并可以通过四个明显的峰描述。这些峰存在的区域是导带和价带之间的带隙。

材料制备：

化学计量的纯元素进行称重并在感应炉坩埚中融化。加热到980°C，保温1h，并缓慢冷却至740°C。740°C退火15h。然后在氩气中骤冷至室温。样品沿垂直于生长方向被切成五片。每个切片的尺寸约为6毫米，直径为2毫米厚。

结果分析：

为探测Mn3Ge的AHE(反常霍尔效应)，测量了不同温度（2K-400K）下霍尔效应随磁场变化的函数曲线。在条件II下，的值显小于条件I（图2C）。尽管条件II中在2K时小于条件I，但当300K时二者出现一个相似的值（300K，=50Ω/cm）。在两种条件下均随温度升高而降低。最后条件III，在所有温度下的和都很小（图2E、F）。除此之外,条件III与条件I、II的AHE测量结果恰好相反。

图二：不同温度（2K-400K）下和随磁场变化的函数曲线

图三：2K和300K下磁场沿不同方向时的磁学性能曲线

为证明本系统中大的AHE源于非线性反磁铁自旋结构，对磁场方向平行于不同晶体方向的磁化强度进行了测量。当磁场平行于[2-1-10]时，2K时表现出微小的自发磁化0.005μB/Mn（图3）。当磁场平行于[01-10]方向时，稍有增大。矫顽场小于20 Oe。300K和2K测得的数据相似，除了当磁场平行于[0001]方向时，高的磁化强度均急剧降低。

在无外加磁场的条件下观察AHE发现，在零磁场的区域，每个磁畴（h-Mn3Ge内存在反铁磁畴）内部霍尔电压的方向不同，会使AHC消失。但磁场会使旋转三角形旋转至与平面内的电场分量相反。面内场的方向变换会使三角形的自旋结构中的交错方向改变，进而导致霍尔电压信号的异常变化。

                                                      图四：AHE的角度依赖性测量曲线

为确定小残余面内铁磁性元件对AHE没有作用，我们进行了AHE对不同配置下角度依赖性的测量。从这些角度依赖性的测量，可以很容易地得出结论，小残余面内铁磁性元件，以及施加的磁场，没有对Mn3Ge中AHE的观察产生影响。

结论：

总之，在室温下，即使不加任何外加磁场，非线性反铁磁Mn3Ge依旧具有很大的AHE。Mn3Ge的大的反常霍尔效应的发现将会推进相关理论的研究。

该研究成果近期发表在Science Advances上，论文链接：
Large anomalous Hall effect driven by a nonvanishing Berry curvature in the noncolinear antiferromagnet Mn3Ge（非原网页读者请到材料牛下载）

本文由材料人编辑部学术组封蕾投稿，材料牛编辑整理。

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