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

技術要約：中心対称反強磁性体EuAuAsにおける電場誘起トポロジカルホール効果およびバタフライ型の磁気抵抗

問題提起
磁性材料における磁性と電子の自由度の結合が複雑な輸送現象を引き起こすことは知られているが、中心対称な反強磁性体においてトポロジカルホール効果（THE）および磁気抵抗（MR）を駆動する具体的なメカニズムは、依然として活発な研究領域である。非中心対称系ではジャロシンスキー・守谷相互作用（DMI）がスカイミオンを安定化させるが、中心対称材料はこのような固有の対称性の破れを持たないにもかかわらず、依然としてトポロジカルなスピンテクスチャを示すことがある。EuTX系（T = 遷移金属、X = Pnictogen）は、これらの現象を研究するための肥沃なプラットフォームを提供しているが、EuAuAsの磁性と輸送特性、特に磁気テクスチャとの関連についての詳細な理解は、以前は不明であった。

手法
著者らは、ビスマスフラックス法を用いて高品質なEuAuAs単結晶を合成した。構造の質は粉末および単結晶X線回折（XRD）によって検証され、六方晶のZrBeSi型構造（空間群 $P6_3/mmc$）であることが確認された。磁気特性は、ゼロ磁場冷却（ZFC）および磁場冷却（FC）感受性、ならびに$ab$面平行（$H \parallel ab$）および$c$軸方向（$H \parallel c$）に磁場を印加した磁場依存磁化（$M(H)$）曲線の測定を含む、Quantum Design MPMS-3システムを用いて評価された。電気輸送測定は、Quantum Design PPMS-14 Tシステムを用いて行われた。ホール抵抗率（$\rho_{xz}$）および縦方向抵抗率（$\rho_{xx}$）は、$I \parallel c$かつ$H \parallel ab$の構成、および$H \parallel c$かつ$I \parallel ab$の構成で測定された。角度依存MR測定は、磁場を$c$軸から$ab$面へと回転させることで行われた。

主な結果

• 結晶構造と抵抗率： EuAuAsは、交互に層状に並ぶ磁性Eu層と非磁性Au–As層からなる層状構造を有している。抵抗率測定は金属的な挙動を示している。強い電子異方性が観察され、$c$軸方向の縦方向抵抗率（$\rho_{zz}$）は$ab$面内のもの（$\rho_{xx}$）よりも著しく大きい。
• 磁気特性： 磁化率測定により、反強磁性（AFM）転移が$T_N \approx 5.7$ K（$H \parallel ab$）および$T_N \approx 6.3$ K（$H \parallel c$）で明らかになった。キュリー・ワイスフィッティングは正のワイス温度を与え、常磁性領域における強磁性的相互作用を示唆している。
  • $H \parallel ab$の場合、$M(H)$曲線は約0.5 T（$H_t^{ab}$）で明確なメタ磁性転移を示し、0.6 T以下で小さなヒステリシスループを示す。
  • $H \parallel c$の場合、$M(H)$曲線は滑らかであり、メタ磁性転移やヒステリシスは見られない。
  • 飽和磁化は、$\sim$2.5 T（$H \parallel ab$）および$\sim$3.5 T（$H \parallel c$）で到達し、その値は理論的なEuのモーメントである$7.0 \mu_B$/Euに近いことから、易平面異方性を示している。
• トポロジカルホール効果（THE）： $H \parallel ab$かつ$I \parallel c$の条件下で、AFM状態において顕著なTHEが観察された。全ホール抵抗率をノーマル、異常、およびトポロジカル成分に分離することにより、著者らは最大$\sim$0.32 $\mu\Omega$cm（1.1 Tにて）となるトポロジカルホール抵抗率（$\rho_{xz}^T$）を抽出した。
  • $\rho_{xz}^T$信号は、磁場が増加するにつれて符号反転（正から負へ）を示し、飽和磁場（$H_s^{ab} \approx 3.35$ T）付近で消失する。
  • この信号は$T_N$以下かつ$H_s^{ab}$以下の磁場領域に限定されており、メタ磁性転移領域と相関している。
• 磁気抵抗（MR）：
  • $H \parallel ab$かつ$I \parallel c$の場合、低温において弱いバタフライ型の負のMRが観察され、メタ磁性転移電場の付近でピークを示す。
  • $H \parallel c$かつ$I \parallel ab$の場合、磁化曲線には見られない、顕著なバタフライ型のヒステリシスがMRにおいて観察される。このヒステリシスは強い角度依存性を持ち、$c$軸から$ab$面へと磁場を回転させるにつれて減少する。

解釈とメカニズム
著者らは、観察されたTHEを、磁場誘起の非共面スピンテクスチャに由来する有限のスカラースピンカイラリティ（SSC）に帰属させている。EuAsは中心対称であるため、これらのテクスチャの形成は、バルクのDMIではなく、メタ磁性転移および異方的な磁気構成間の競合によって駆動されている可能性が高い。THEの符号反転は、非共面AFM状態の再構成として解釈される。

バタフライ型のMR、特に磁化曲線ではメタ磁性転移が見られない$H \parallel c$におけるヒステリシスは、反強磁性ドメインの進化およびドメイン壁のピン留めに結び付けられている。MRの強い角度依存性は、これらのドメインダイナミクスが系の磁気異方性によって支配されていることを示唆している。

意義
本研究は、中心対称反強磁性体EuAsにおける磁気テクスチャと電子輸送の相互作用に関する系統的な調査を提供している。主な貢献は以下の通りである：

1. 中心対称反強磁性体におけるTHEの特定： バルクのDMIを伴わずに、磁場誘起の非共面スピンテクスチャが顕著なTHEを生じ得ることを示した。
2. 輸送特性と磁気転移の相関： メタ磁性転移、符号反転するTHE、および低磁場MRのアノマリーの間の直接的な関連性を確立した。
3. ドメインダイナミクスへの洞察： バタフライ型のMRヒステリシスが、磁化曲線が滑らかに見える場合であっても、AFMドメインの進化とピン留めに対する敏感なプローブとして機能し得ることを明らかにした。

これらの結果は、磁場誘起のスピンテクスチャと磁気ドメインダイナミクスが、EuAsの磁気輸送特性において決定的な役割を果たしていることを示唆しており、中心対称反強磁性体の物理学に新たな知見を与えるものである。