Kagome半金属Co₃In₂S₂中场诱导的蝴蝶状各向异性磁阻 | 进展

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-10-06 19:51

正文

由于存在多种自旋、轨道自由度以及具有平带、范霍夫奇点和狄拉克点等新奇的电子结构，kagome晶格材料为研究量子态、电子序及其强关联性提供了丰富的实验平台，已成为凝聚态物理研究的热点之一。而磁性kagome半金属展现了诸如贝利曲率诱导的大反常霍尔效应、自旋轨道极化子、手性异常、反常能斯特效应等丰富的奇异特性，同时理论预测其在二维极限下可能会出现量子反常霍尔效应。其中非共线反铁磁kagome半金属在外磁场作用下往往会展现出独特的现象，有望成为实现非共线/非共面自旋阻挫反铁磁态甚至量子自旋液体的候选者，从而为自旋电子学器件的应用提供了更多可能性。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室的杨海涛研究组与高鸿钧研究组和钢铁研究总院的何峻团队合作，发展出一种制备高质量kagome半金属单晶的化学气相输运方法，成功制备出一种新的反铁磁kgome半金属Co₃In₂S₂单晶，STM和STEM对其原子排布的表征表明晶体具有高的晶体质量。他们利用超导量子干涉仪对Co₃In₂S₂单晶样品的磁性进行了测试，温度依赖的磁化曲线在低温下呈现出反铁磁跃迁行为。随外加磁场的增大，Co₃In₂S₂单晶呈现出弱铁磁态，可归因于Co₃In₂S₂具有倾斜的反铁磁结构，其中kagome平面内的Co原子磁矩沿c轴呈非共线排列。

高质量Co₃In₂S₂单晶也展现出优异的电输运特性，剩余电阻率比值（RRR）高达1638，低温磁阻行为表现出强的面外各向异性，最大磁阻可达1100%，而载流子迁移率高达10⁴ cm²V^-¹s^-¹。同时在Co₃In₂S₂单晶中还观察到平面霍尔效应（PHE），由于未观察到负磁阻效应，可排除手性异常的影响，分析认为PHE主要来源于铁磁性和轨道磁阻的复杂相互作用。尤为显著的是，随着磁场的增加，Co₃In₂S₂单晶在低温下出现磁场诱导的类蝴蝶状的反常各项异性磁阻（AMR）效应，其最大值达850%，深入分析表明是两倍、四倍和六倍AMR信号的叠加。且随磁场的继续增大，高阶的信号占比逐渐增强，而随温度变化的AMR结果表明，高阶信号占比随温度升高而逐渐减弱，二阶信号占比逐渐增强。DFT计算显示穿过费米能级的四条能带分别展现出双重对称和六重对称的费米表面，表明该磁场诱导的蝴蝶状AMR效应可能源于磁矩对费米能级附近的电子结构调制。该研究基于新的反铁磁kgome半金属Co₃In₂S₂单晶，观察到磁场诱导的蝴蝶状AMR效应并给出了相应的微观解释，有望促进磁性kagome半金属在电子学和自旋电子学器件中的应用。

相关研究成果以“Field-induced butterfly-like anisotropic magnetoresistance in a kagome semimetal Co₃In₂S₂ ”为题，于2024年9月3日在线发表于Advanced Functional Materials，纳米物理与器件实验室联合培养博士生吕森浩与郭辉副研究员为共同第一作者，杨海涛研究员、何峻教授为共同通讯作者，理论计算工作由纳米物理与器件实验室室杜世萱研究组的潘金波副研究员等完成。该工作受到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院的支持。

图 Co₃In₂S₂的原子结构、高质量晶体及其各向异性磁阻

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