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磁性材料的反?;魻栞斶\效應(yīng)來源于能帶內(nèi)稟貢獻及雜質(zhì)外稟散射,其重要參量反?;魻柦谴砜v向電流密度驅(qū)動橫向反?;魻栯娏髅芏鹊哪芰?。大反常霍爾角在反?;魻柎艂鞲?、自旋電子學(xué)磁疇翻轉(zhuǎn)等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。過去70年來,反?;魻柦情L期處于0.1°~3°(0.2%~5%)較低水平,且缺乏調(diào)控模型和實驗方案,導(dǎo)致反?;魻栠@一重要物理效應(yīng)長期未能得到有效應(yīng)用。
近年來,本征磁性拓撲材料的發(fā)現(xiàn)為研究自旋相關(guān)拓撲物態(tài)和物性提供了材料平臺,而其拓撲增強的電輸運性能也為反?;魻柦堑恼{(diào)控帶來了契機。磁性外爾半金屬Co3Sn2S2具有大內(nèi)稟反?;魻栯妼?dǎo)率,為實現(xiàn)反常霍爾角的調(diào)控提供了理想載體。
近日,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心劉恩克課題組,在磁性拓撲材料與物理研究方面取得進展。該團隊提出了反?;魻柦堑碾p變量數(shù)學(xué)模型,根據(jù)電導(dǎo)率及電阻率的張量轉(zhuǎn)換,將反常霍爾角表達為縱向電阻率與反?;魻栯妼?dǎo)率之積的函數(shù)。在金屬區(qū),反常霍爾角隨著二者乘積的增加而增大。對于具有確定內(nèi)稟反常霍爾電導(dǎo)率的體系,其反?;魻柦莿t隨著縱向電阻率的增大而呈現(xiàn)一個極大值。根據(jù)反常霍爾電導(dǎo)率的內(nèi)外稟機制特征,團隊提出了基于磁性拓撲體系開展反?;魻柦钦{(diào)控的實驗方案。利用拓撲態(tài)、微量摻雜、溫度、維度等內(nèi)外稟自由度,團隊在Co3Sn2S2體系中進行實驗設(shè)計和驗證,實現(xiàn)了縱向電阻率和反常霍爾電導(dǎo)率的同步提升,獲得了25°(46%)的零場巨反常霍爾角。同時,團隊研制出新型反常霍爾傳感器件,獲得了低頻23nT/Hz0.5@1Hz的磁場探測能力和7028μΩcm/T的霍爾靈敏度,分別是目前已知反常霍爾傳感器的3倍和10倍。
上述研究為反常霍爾角的調(diào)控提供了一套可行的模型和方案,開啟了磁性材料巨反?;魻柦茄芯康男码A段,實現(xiàn)了拓撲增強高性能磁傳感的原理性驗證。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-電子學(xué)》(Nature Electronics)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院相關(guān)項目等的支持。
( a、b)反常霍爾角的雙變量函數(shù)關(guān)系,(c)巨反常霍爾角,(d)磁性外爾半金屬反常霍爾傳感
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