反铁磁Weyl半金属膜的反铁近藤物理学

2022-01-27 11:20:00尉迟才雁导读新兴的量子材料可以通过拓扑和强电子相关性来定义，尽管它们在实验系统中的金属近藤应用相对有限。结合了磁性的物理Weyl半金属提供了一个独特而富饶的平

新兴的量子材料可以通过拓扑和强电子相关性来定义，尽管它们在实验系统中的反铁应用相对有限。结合了磁性的金属近藤Weyl半金属提供了一个独特而富饶的平台，以探索正在发展的物理拓扑物质和拓扑自旋电子学中出现的现象。三角形反铁磁体Mn 3 Sn具有许多奇特的反铁物理特性，如反铁磁(AFM)魏尔半金属(WSM)，金属近藤包括引人入胜的物理自发霍尔效应。

自发的反铁霍尔效应是一个多世纪以前发现的，通过反铁磁，金属近藤铁磁或天体离子的物理内部自旋结构(磁化中小的旋涡形拓扑缺陷)形式的时间反转对称性破坏，可以理解自发霍尔效应。反铁

杜尔加·卡德卡(Durga Khadka)和物理学，金属近藤材料科学，物理中子研究和工程学团队在《科学进展》上发表的新报告中，报道了外延Mn 3 + x Sn 1-x薄膜的合成，其成分类似于散装样品。当他们用样品中的锰(Mn)原子取代锡(Sn)原子时，他们注意到了近藤效应。一个强相关性出现的著名例子，然后发展了相干性并引发了杂交能隙。磁性掺杂和间隙打开的过程为新材料提供了丰富的非凡性能。

魏尔半金属与近藤效应

材料科学家研究了能带结构的拓扑结构和材料的设计，这是一种越来越重要的特征，它有助于新型量子材料中的许多奇异行为。能带理论或能带结构定义了固体中电子的量子力学行为。能带结构拓扑对于了解无间隙拓扑半金属(例如Weyl半金属(WSM)和Dirac半金属)的发展至关重要，这些半金属是石墨烯的三维(3-D)类似物。

魏尔半金属是具有低能激发的固态晶体，被称为魏尔费米子，在室温下会携带电荷。WSM的导带和价带在动量空间中的特定点处相交，称为Weyl节点，它们的间距反过来决定了内在反常霍尔效应的大小，这种效应是在时间反转对称性破裂或熵守恒的固体中观察到的。Weyl节点显示为具有手性相反的简并对。迄今为止，关于WSM的工作集中在弱相互作用的系统上，该系统日益需要包含强电子相关性的影响。。Kondo效应是典型的强相关行为的示例，该行为源自传导电子的自旋与局部磁矩之间的耦合。这项工作表明，由于魏尔(Weyl)和近藤(Kondo)物理学之间的相互作用，WSMs作为研究新量子相的肥沃平台。

显影外延Mn 3 + x Sn 1-x膜

研究小组选择了反铁磁Weyl半磁性金属(WSM)Mn 3 Sn作为研究该概念的有前途的材料。在Mn 3 Sn的六边形结构中，Mn原子形成了二维的Kagome晶格(由交错三角形组成的编织图案)，其中Sn原子位于六边形的中心。科学家使用角度分辨光发射光谱(ARPES)测量来观察结构特征。Mn 3 Sn具有出色的拓扑和自旋电子学性能以及强相关性，是研究拓扑，磁性，强相关性和新兴反铁磁自旋电子学之间多方面物理学的理想平台。

Khadka等。开发出高质量的外延膜，并观察到了过量的锰膜中的近藤效应，这些锰在取代锡后在系统中起掺杂剂的作用。当他们增加Mn掺杂时，系统发展出近藤相干性并打开了杂交缺口。Mn 3 Sn表现出强烈的各向异性霍尔效应。该团队使用Mn和Sn靶材的共溅射来实现外延生长并制造Mn 3 + x Sn 1-x膜。他们使用X射线衍射(XRD)图案注意到材料中不存在杂质峰，并且使用原子力显微镜观察到表面粗糙度约为0.4纳米。较早的研究在过量的Mn原子代替Sn原子后，已显示出六角形的Mn 3 Sn膜的稳定性。因此，在Mn 3 + x Sn 1-x薄膜中掺杂Mn有效地调节了能带结构的拓扑结构和霍尔效应，从而使科学家们能够探索新的和不寻常的相关性，从而了解Weyl与相关物理在理想平台上的相互作用。

共振增强的法拉第旋转和直流霍尔电阻

研究小组还进一步证明了使用太赫兹法拉第旋转测量技术可以打开胶片间隙的证据。当他们用磁性Mn原子掺杂Weyl半金属(WSM)时，他们注意到可能会从Kondo效应过渡到Kondo绝缘体。一类新的拓扑物质，其作用与晶体生长方向无关。由于由Weyl节点引起的大的自发异常霍尔电阻(AHR)先前在本体Mn 3中形成了显着的传输特征Sn，Khadka等。同样通过霍尔测量确定了此处使用的薄膜的Weyl性质。总霍尔电阻率计算考虑了薄膜中产生的异常霍尔电阻的磁化强度，普通霍尔系数和磁导率。

异常的磁阻

Khadka等。然后由于材料的手性异常，将负磁阻(NMR)记录为Weyl半金属的另一个重要传输特征。例如，当他们沿电流方向施加磁场时，手性电荷电流从一个Weyl节点以相反的手性驱动到其 Weyl节点。合并的手性电流在实验过程中改善了电导率，产生了负磁阻(NMR)，这一特性证明了掺杂磁性Mn原子的后果。

这样，杜尔加·卡德卡(Durga Khadka)及其同事开发了具有优异样品质量的反铁磁Weyl半金属Mn 3 + x Sn 1-x薄膜。令人兴奋的一类材料为研究强电子相关性，拓扑和磁性之间的相互作用提供了一个平台。该研究小组用磁性锰(Mn)取代了锡(Sn)，以实现近藤效应，从而打开了一个杂交间隙，同时降低了霍尔电阻。这项工作为进一步研究相关材料奠定了基础，包括通过将原子掺入多种元素(包括铁，钴，铜或elements)来进行电子局部化。该团队可以通过掺杂重元素(例如铅(Pb))进一步调整薄膜的自旋轨道耦合。

由于常规的共线反铁磁材料由于其消失的很小的磁化特性而不会表现出异常的霍尔电阻效应，因此它们不是反铁磁自旋电子学的良好候选者。相反，这项工作中引入的丰富的共线自旋织构以及Mn 3 Sn族化合物的大量霍尔电阻使其成为此类应用的有希望的候选者。这些薄膜将提供新的范例，以推动拓扑反铁磁自旋电子学的新兴领域发展新的基于自旋的器件。