二维铁磁体中自旋手性涨落的研究

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跟着2016年诺贝尔奖颁发“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”，拓扑资料成为近年来凝聚态物理范畴最抢手的研讨方向之一。

拓扑资料横跨凝聚态物理范畴多种系统，其间波折磁体和手性磁体中非共面自旋结构能够构成自旋手性，在实空间内发作一个有用磁场，使得电子的举动轨道发作偏转，然后导致拓扑霍尔效应。因为拓扑霍尔效应和非共面自旋结构之间的密切联系，拓扑霍尔输运丈量被用作检测非传统磁序的有力手法。事实上，拓扑霍尔效应长久以来和手性磁体或异质结中的斯格明子相联系在一起。

尽管拓扑霍尔效应被认为是构成具有自旋手性的停止磁性结构的依据，可是二维铁磁体中的自旋手性涨落导致的拓扑霍尔效应却很少被评论。近来，美国罗格斯大学吴伟达教授研讨组、中国科技大学廖昭亮教授、卡耐基梅隆大学肖笛教授研讨组以及来自宾夕法尼亚州立大学和特温特大学的其他学者等人协作，在两种彻底不同的巡游二维铁磁性薄膜SrRuO3（SRO）和V掺杂的Sb2Te3（VST）中，都发现了在居里相变温度以上顺磁相中由具有手性的自旋涨落导致的拓扑霍尔效应（图1）。并且这种拓扑霍尔效应随温度、磁场、载流子类型的改动与蒙特卡罗模仿的成果一起，证明了自旋手性涨落是在二维铁磁体中遍及存在的一种性质。该研讨成果于2019年8月12日在线发表于Nature Materials上。

图1：二维铁磁体的手性自旋涨落。图中D是Dzyaloshinsky-Moriya反对称交流效果矢量。

该论文首要评论了SRO薄膜中的自旋手性涨落。研讨人员使用先进的激光分子束外延的办法把SRO薄膜长在SrTiO3（STO）衬底上，一起再镀两层STO薄膜用于增强SRO薄膜的磁性。图2（a）的示意图展现了SRO薄膜器材的结构。试验标明当SRO厚度大于等于三层的时分，均体现出铁磁金属性。并且当SRO厚度下降并挨近于三层时，薄膜会变得更绝缘并且居里温度会下降，体现出从三维铁磁体到二维铁磁体的改动。因为该异质结构十分对称，Dzyaloshinsky-Moriya（DM）相互效果会十分弱，不足以改动SRO薄膜的铁磁性基态。这一点能够从低温下的霍尔回线找到依据。图2（c）显现6层的SRO薄膜在70K温度下的霍尔回线（一般霍尔效应已减掉），它呈现出一个类正方形的形状，证明薄膜具有很强的铁磁性一起具有典型的笔直磁各向异性。当温度逐步升高，在挨近居里温度116K时，霍尔回线在零场邻近呈现了一个反对称的峰，是拓扑霍尔效应呈现的特征。特别是在119K的温度下，失常霍尔效应根本为零的时分，这个反对称的峰更为显着。这个拓扑霍尔效应峰在小场下敏捷到达最大值，然后在强场下被缓慢按捺，与蒙特卡洛模仿得到的二维铁磁体中手性自旋涨落导致的拓扑电荷的行为高度符合。更令人惊讶的是这个拓扑霍尔效应峰能够保持到居里温度以上的顺磁相。但是当温度持续升高至132K以上，这个反对称的峰开端消失。

图2：标量手性自旋和SrRuO3薄膜的拓扑霍尔效应。

霍尔效应一般由三部分组成，包含一般霍尔效应（与外磁场成正比），失常霍尔效应（与磁化强度M成正比）和拓扑霍尔效应（与拓扑电荷Q成正比）。为了得到不同温度下薄膜的拓扑霍尔效应，需求减掉一般霍尔效应和失常霍尔效应的奉献。一般霍尔效应能够经过高场下ρyx-H的斜率预算。图3（a）显现6层的SRO具有n型载流子。而失常霍尔效应的丈量比较困难，因为薄膜挨近二维极限，直接丈量它的磁化强度并不简略。在本文中，居里温度以上的铁磁相能够用一个朗之万函数来描绘，如图3（b）所示。而居里温度以下，铁磁相能够简略地用一个阶梯函数来近似。当失常霍尔效应也被减掉后，本征的拓扑霍尔效应就会显现出来。如图3（d）所示，在居里温度邻近119K，拓扑霍尔效应到达最大，而低温文高温均会被按捺，这与热涨落在居里温度邻近最强一起，证明该拓扑霍尔效应是因为自旋手性涨落导致。研讨者在3层至6层的SRO薄膜中均发现了由自旋手性涨落导致的拓扑霍尔效应。但是在7层以上的薄膜中该性质消失，佐证了自旋手性涨落的二维实质。

图3：在SrRuO3薄膜中提取拓扑霍尔效应。

为了显现这种自旋手性涨落遍及存在于各种二维铁磁体中，该论文又展现了另一种磁性薄膜中自旋手性涨落导致的拓扑霍尔效应。研讨者使用分子束外延技能在STO衬底上成长5层V掺杂的Sb2Te3，并在此基础上持续成长3层Sb2Te3，该异质结结构的示意图参见图4（a）。该磁性薄膜的特别之处在于载流子浓度低，能够在各个温度下经过加背栅电压调理失常霍尔效应至零，如图4（c）所示。当失常霍尔效应调理至零后，类似于SRO薄膜的拓扑霍尔效应显现出来，同样是反对称的峰，同样是在居里温度邻近最强，在低温文高温下削弱。不同于SRO薄膜的是拓扑霍尔效应峰的号相反，这是因为V掺杂的Sb2Te3薄膜是p型的载流子。种种迹象标明在SRO以及VST薄膜中所观测到的拓扑霍尔效应均来自于二维的自旋手性涨落。该项研讨为进一步使用拓扑霍尔输运来研讨其他巡游二维铁磁体以及手性自旋液体翻开大门。

图4：5 u.c. V掺杂Sb2Te3薄膜的拓扑霍尔效应。

该论文由罗格斯大学王文波博士、卡耐基梅隆大学Matthew W. Daniels博士、中国科学技能大学廖昭亮教授作为一起榜首作者，罗格斯大学吴伟达教授作为通讯作者。参加研讨的还有来自宾夕法尼亚州立大学、特温特大学和卡耐基梅隆大学的其他学者。