Origin of the large topological Hall effect in the EuCd$_2$Sb$_2$ antiferromagnet

Samenvatting: Oorsprong van het grote topologische Hall-effect in het antiferromagnetische EuCd2Sb2

Probleemstelling
Het artikel richt zich op de oorsprong van het grote topologische Hall-effect (THE) in het enkelkristallijne verbinding EuCd2Sb2. Hoewel dit materiaal recentelijk is geïdentificeerd als een Weyl-halfmetaal met een A-type antiferromagnetische (AFM) structuur, bleef de exacte mechanisme achter het THE onduidelijk. Bestaande literatuur gaf tegenstrijdige resultaten: sommige studies suggereerden dat het THE voornamelijk voortkomt uit impulsruimte-Berry-kromming (door Dirac- en Weyl-punten), terwijl andere studies op soortgelijke verbindingen (zoals EuZn2Sb2) wijzen op bijdragen van spin-chiraliteit in domeinwanden. Bovendien werden kleine anomalieën in het topologische Hall-resistiviteitsprofiel bij lage temperaturen en specifieke velden in eerdere analyses over het hoofd gezien. Het doel van deze studie is om de verschillende bijdragende mechanismen te ontrafelen en te kwantificeren.

Methodologie
De onderzoekers hebben een uitgebreide karakterisering uitgevoerd op hoogwaardige enkelkristallen van EuCd2Sb2, die zijn gesynthetiseerd via een Sn-vloeimiddel-methode. De methodologie omvatte:

1. Structuurkarakterisering: Bevestiging van de trigonale kristalstructuur (ruimtegroep $P\bar{3}m1$) en zuiverheid via röntgendiffractie (XRD) en energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX).
2. Magnetische metingen: Metingen van magnetische susceptibiliteit ($\chi$) en magnetisatie ($M$) als functie van temperatuur en magnetisch veld (tot 7 T) om de Neél-temperatuur ($T_N$) en de magnetische faseovergangen te bepalen.
3. Warmtecapaciteit: Precieze metingen van de soortelijke warmte ($C_p$) om de magnetische entropie te berekenen en de aard van de grondtoestand te verifiëren.
4. Transportmetingen: Uitgebreide metingen van longitudinale en transversale magnetoresistantie (MR) en Hall-resistiviteit ($\rho_{xy}$) in een temperatuurbereik van 2 K tot 150 K en magnetische velden tot 9 T.
5. Data-analyse: Ontleding van de totale Hall-resistiviteit in drie componenten: de gewone Hall-component ($\rho^o_{xy}$), de conventionele anomalie Hall-component ($\rho^{CA}_{xy}$) en de topologische Hall-component ($\rho^T_{xy}$). Dit werd gedaan door gebruik te maken van de lineaire helling bij hoge velden en het schalen van de geleidbaarheid.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Magnetische Eigenschappen en Entropie:
  De metingen bevestigden een Neél-temperatuur van $T_N = 7.4$ K. De berekende magnetische entropie bij 35 K bedraagt 16,6 J mol$^{-1}$K$^{-1}$, wat zeer dicht bij de theoretische waarde voor een divalente Eu$^{2+}$-ion ($R \ln(2S+1) \approx 17.3$ J mol$^{-1}$K$^{-1}$) ligt. Dit bevestigt de lokale momenten van Eu$^{2+}$ en de afwezigheid van significante kristalveld-effecten die de entropie zouden onderdrukken.

• Ontleding van het Hall-effect:
  De auteurs hebben het THE succesvol geïsoleerd van het totale Hall-signaal. Ze vonden dat het THE niet één enkel mechanisme is, maar het resultaat van drie verschillende intrinsieke mechanismen die afhankelijk zijn van het temperatuurbereik en het magnetische veld:

  1. Boven $T_N$ (Paramagnetische fase): Het THE wordt gedreven door Weyl-toestanden die worden geïnduceerd door spinfluctuaties. De analyse van de afgeleide van de inverse susceptibiliteit ($d\chi^{-1}/dT$) toont aan dat spinfluctuaties significant zijn tot ongeveer 40 K, wat overeenkomt met het temperatuurbereik waar het THE-effect boven $T_N$ wordt waargenomen.
  2. Onder $T_N$ (Antiferromagnetische fase) - Impulsruimte: De brede dip in het THE-signaal wordt voornamelijk veroorzaakt door Berry-kromming in de impulsruimte. In de AFM-toestand breekt de $C_3$-symmetrie, wat leidt tot het ontstaan van Dirac-punten dicht bij het Fermi-niveau. Wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd, splitsen deze Dirac-punten in paren van Weyl-nodes, wat een grote Berry-kromming genereert.
  3. Onder $T_N$ (Antiferromagnetische fase) - Realruimte: De auteurs identificeerden kleine "bulten" (humps) in het $\rho^T_{xy}(H)$-profiel bij specifieke velden ($H \approx H_s/\sqrt{2}$, waarbij $H_s$ het verzadigingsveld is). Deze anomalieën vallen exact samen met pieken in de transversale magnetoresistantie. Dit wordt toegeschreven aan scalare spin-chiraliteit die zich ontwikkelt binnen de antiferromagnetische domeinwanden, wat een Berry-fase in de realruimte genereert.

• Karakteristieke Velden en Temperatuureffecten:
  De positie van de anomalieën in het THE verschuift met de temperatuur, wat wijst op verschillende mechanismen onder en boven $T_N$. De schaalverhouding tussen de topologische Hall-geleidbaarheid ($\sigma^T_{xy}$) en de longitudinale geleidbaarheid ($\sigma_{xx}$) suggereert dat het THE in EuCd2Sb2 voornamelijk een intrinsiek karakter heeft, in tegenstelling tot extrinsieke mechanismen zoals zijwaartse sprongen (side-jump).

Betekenis en Conclusie
De studie biedt een volledig beeld van de oorsprong van het grote topologische Hall-effect in EuCd2Sb2. Het belangrijkste inzicht is dat het THE niet het gevolg is van één enkel mechanisme, maar een samenspel is van:

• Weyl-nodes veroorzaakt door symmetriebreking in de AFM-toestand.
• Weyl-nodes geïnduceerd door spinfluctuaties in de paramagnetische fase.
• Realruimte Berry-kromming door spin-chiraliteit in domeinwanden.

Deze bevindingen verklaren eerdere tegenstrijdigheden in de literatuur en tonen aan dat EuCd2Sb2 een ideaal platform is om de interactie tussen topologische elektronische toestanden en complexe magnetische structuren te bestuderen. De identificatie van spin-chiraliteit in domeinwanden als een bron van THE in een A-type AFM-systeem opent nieuwe perspectieven voor het ontwerp van spintronische materialen die werken bij lage temperaturen.