Field-induced topological Hall effect and butterfly-shaped magnetoresistance in the centrosymmetric antiferromagnet EuAuAs

Sintesi Tecnica: Effetto Hall topologico indotto dal campo e magnetoresistenza a forma di farfalla nell'antiferromagnete centrosimmetrico EuAuAs

Problematica
Sebbene l'accoppiamento tra i gradi di libertà magnetici ed elettronici nei materiali magnetici sia noto per generare fenomeni di trasporto complessi, i meccanismi specifici che guidano l'effetto Hall topologico (THE) e la magnetoresistenza (MR) negli antiferromagneti centrosimmetrici rimangono un'area di ricerca attiva. A differenza dei sistemi non centrosimmetrici dove l'interazione Dzyaloshinskii–Moriya (DMI) stabilizza gli skyrmioni, i materiali centrosimmetrici mancano di questa intrinseca rottura di simmetria, eppure possono comunque esibire texture di spin topologiche. La famiglia EuTX (T = metallo di transizione, X = pnictogeno) offre una piattaforma fertile per studiare tali fenomeni, ma una comprensione dettagliata del magnetismo e delle proprietà di trasporto di EuAuAs, specificamente in relazione alle texture magnetiche, era precedentemente poco chiara.

Metodologia
Gli autori hanno sintetizzato cristalli singoli di alta qualità di EuAuAs utilizzando il metodo del flusso di bismuto. La qualità strutturale è stata verificata tramite diffrazione di raggi X (XRD) su polvere e su cristallo singolo, confermando la struttura esagonale di tipo ZrBeSi (gruppo spaziale $P6_3/mmc$). Le proprietà magnetiche sono state caratterizzate utilizzando un sistema Quantum Design MPMS-3, misurando la suscettibilità a zero campo (ZFC) e a campo freddo (FC), nonché curve di magnetizzazione dipendenti dal campo ($M(H)$) con campi applicati parallelamente al piano $ab$($H \parallel ab$) e all'asse $c$ ($H \parallel c$). Le misure di trasporto elettrico sono state condotte su un sistema Quantum Design PPMS-14 T. La resistività Hall ($\rho_{xz}$) e la resistività longitudinale ($\rho_{xx}$) sono state misurate con corrente lungo l'asse $c$ ($I \parallel c$) e campi magnetici applicati lungo $ab$, così come in configurazioni con $H \parallel c$ e $I \parallel ab$. Sono state eseguite misure di MR dipendenti dall'angolo ruotando il campo magnetico dall'asse $c$ verso il piano $ab$.

Risultati Chiave

• Struttura Cristallina e Resistività: EuAuAs cristallizza in una struttura stratificata con strati magnetici di Eu alternati a strati non magnetici di Au–As. Le misure di resistività indicano un comportamento metallico. Si osserva una forte anisotropia elettronica, con la resistività longitudinale lungo l'asse $c$ ($\rho_{zz}$) significativamente maggiore rispetto a quella nel piano $ab$($\rho_{xx}$).
• Proprietà Magnetiche: Le misure di suscettibilità magnetica rivelano transizioni antiferromagnetiche (AFM) a $T_N \approx 5.7$ K ($H \parallel ab$) e $T_N \approx 6.3$ K ($H \parallel c$). Il fitting Curie-Weiss fornisce temperature di Weiss positive, suggerendo interazioni ferromagnetiche nel regime paramagnetico.
  • Per $H \parallel ab$, le curve $M(H)$ mostrano una distinta transizione metamagnetica a circa 0.5 T ($H_t^{ab}$) e un piccolo ciclo di isteresi al di sotto di 0.6 T.
  • Per $H \parallel c$, le curve $M(H)$ sono regolari, senza transizioni metamagnetiche o isteresi.
  • La magnetizzazione di saturazione viene raggiunta a $\sim$2.5 T ($H \parallel ab$) e $\sim$3.5 T ($H \parallel c$), con valori vicini al momento teorico di $7.0 \mu_B$/Eu, indicando un'anisotropia easy-plane.
• Effetto Hall Topologico (THE): Un marcato THE è osservato nello stato AFM con $H \parallel ab$ e $I \parallel c$. Separando la resistività Hall totale nelle componenti normale, anomala e topologica, gli autori hanno estratto una resistività Hall topologica ($\rho_{xz}^T$) che raggiunge un picco di $\sim$0.32 $\mu\Omega$cm a 1.1 T.
  • Il segnale $\rho_{xz}^T$ mostra un'inversione di segno (da positivo a negativo) all'aumentare del campo, svanendo vicino al campo di saturazione ($H_s^{ab} \approx 3.35$ T).
  • Il segnale è confinato a temperature inferiori a $T_N$ e campi inferiori a $H_s^{ab}$, correlando con la regione della transizione metamagnetica.
• Magnetoresistenza (MR):
  • Per $H \parallel ab$ e $I \parallel c$, si osserva una debole MR negativa a forma di farfalla a basse temperature, con un picco vicino al campo di transizione metamagnetica.
  • Per $H \parallel c$ e $I \parallel ab$, si osserva un pronunciato isteresi a forma di farfalla nella MR, che è assente nelle curve $M(H)$. Questa isteresi è fortemente dipendente dall'angolo e diminuisce mentre il campo ruota dall'asse $c$ verso il piano $ab$.

Interpretazione e Meccanismi
Gli autori attribuiscono il THE osservato a una finita chiralità di spin scalare (SSC) derivante da texture di spin non coplanari indotte dal campo. Poiché EuAuAs è centrosimmetrico, la formazione di queste texture è probabilmente guidata dalla transizione metamagnetica e dalla competizione tra configurazioni magnetiche anisotrope piuttosto che dalla DMI di bulk. L'inversione di segno del THE è interpretata come una ricostruzione dello stato AFM non coplanare.

La MR a forma di farfalla, particolarmente l'isteresi osservata per $H \parallel c$ dove non si nota alcuna transizione metamagnetica nella magnetizzazione, è legata all'evoluzione dei domini antiferromagnetici e al pinning delle pareti di dominio. La forte dipendenza angolare della MR suggerisce che questa dinamica di dominio è governata dall'anisotropia magnetica del sistema.

Significatività
Questo lavoro fornisce un'indagine sistematica sull'interazione tra texture magnetiche e trasporto elettronico nell'antiferromagnete centrosimmetrico EuAuAs. I contributi chiave includono:

1. Identificazione del THE in un AFM centrosimmetrico: Dimostrare che le texture di spin non coplanari indotte dal campo possono generare un significativo THE in un sistema centrosimmetrico senza DMI di bulk.
2. Correlazione tra Transizioni Magnetiche e di Trasporto: Stabilire un legame diretto tra la transizione metamagnetica, il THE con inversione di segno e le anomalie della MR a basso campo.
3. Intuizione sulla Dinamica dei Domini: Rivelare che l'isteresi della MR a forma di farfalla può servire come sonda sensibile per l'evoluzione e il pinning dei domini AFM, anche quando le curve di magnetizzazione appaiono regolari.

I risultati suggeriscono che le texture di spin indotte dal campo e la dinamica dei domini magnetici giocano un ruolo critico nelle proprietà di magnetotrasporto di EuAuAs, offrendo nuove intuizioni sulla fisica degli antiferromagneti centrosimmetrici.