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

Resumo Técnico: Efeito Hall topológico induzido por campo e magnetorresistência em forma de borboleta no antiferromagneto centrossimétrico EuAuAs

Definição do Problema
Embora o acoplamento entre graus de liberdade magnéticos e eletrônicos em materiais magnéticos seja conhecido por gerar fenômenos de transporte complexos, os mecanismos específicos que impulsionam o efeito Hall topológico (THE) e a magnetorresistência (MR) em antiferromagnetos centrossimétricos permanecem uma área de investigação ativa. Diferente de sistemas não centrossimétricos onde a interação Dzyaloshinskii–Moriya (DMI) estabiliza skyrmions, materiais centrossimétricos carecem dessa quebra intrínseca de simetria, mas ainda podem exibir texturas de spin topológicas. A família EuTX (T = metal de transição, X = pnictogênio) oferece uma plataforma fértil para estudar esses fenômenos, mas uma compreensão detalhada do magnetismo e das propriedades de transporte do EuAuAs, especificamente em relação às suas texturas magnéticas, era anteriormente incerta.

Metodologia
Os autores sintetizaram monocristais de alta qualidade de EuAuAs utilizando o método de fluxo de bismuto. A qualidade estrutural foi verificada via difração de raios X (XRD) de pó e de monocristal, confirmando a estrutura hexagonal do tipo ZrBeSi (grupo espacial $P6_3/mmc$). As propriedades magnéticas foram caracterizadas usando um sistema Quantum Design MPMS-3, medindo a suscetibilidade de campo zero (ZFC) e campo resfriado (FC), bem como curvas de magnetização dependentes de campo ($M(H)$) com campos aplicados paralelamente ao plano $ab$($H \parallel ab$) e ao eixo $c$ ($H \parallel c$). Medições de transporte elétrico foram conduzidas em um sistema Quantum Design PPMS-14 T. A resistividade Hall ($\rho_{xz}$) e a resistividade longitudinal ($\rho_{xx}$) foram medidas com corrente ao longo do eixo $c$ ($I \parallel c$) e campos magnéticos aplicados ao longo de $ab$, bem como configurações com $H \parallel c$ e $I \parallel ab$. Medições de MR dependentes do ângulo foram realizadas rotacionando o campo magnético do eixo $c$ em direção ao plano $ab$.

Resultados Principais

• Estrutura Cristalina e Resistividade: O EuAuAs cristaliza-se em uma estrutura em camadas com camadas alternadas de Eu magnético e camadas não magnéticas de Au–As. Medições de resistividade indicam comportamento metálico. Uma forte anisotropia eletrônica é observada, com a resistividade longitudinal ao longo do eixo $c$ ($\rho_{zz}$) sendo significativamente maior do que no plano $ab$($\rho_{xx}$).
• Propriedades Magnéticas: Medições de suscetibilidade magnética revelam transições antiferromagnéticas (AFM) em $T_N \approx 5,7$ K ($H \parallel ab$) e $T_N \approx 6,3$ K ($H \parallel c$). O ajuste de Curie-Weiss fornece temperaturas de Weiss positivas, sugerindo interações ferromagnéticas no regime paramagnético.
  • Para $H \parallel ab$, as curvas $M(H)$ exibem uma transição metamagnética distinta em aproximadamente 0,5 T ($H_t^{ab}$) e um pequeno loop de histerese abaixo de 0,6 T.
  • Para $H \parallel c$, as curvas $M(H)$ são suaves, sem transição metamagnética ou histerese.
  • A magnetização de saturação é alcançada em $\sim$2,5 T ($H \parallel ab$) e $\sim$3,5 T ($H \parallel c$), com valores próximos ao momento teórico de $7,0 \mu_B$/Eu, indicando anisotropia de plano fácil.
• Efeito Hall Topológico (THE): Um THE pronunciado é observado no estado AFM com $H \parallel ab$ e $I \parallel c$. Ao separar a resistividade Hall total em componentes normal, anômala e topológica, os autores extraíram uma resistividade Hall topológica ($\rho_{xz}^T$) que atinge o pico em $\sim$0,32 $\mu\Omega$cm em 1,1 T.
  • O sinal de $\rho_{xz}^T$ exibe uma reversão de sinal (de positivo para negativo) conforme o campo aumenta, desaparecendo próximo ao campo de saturação ($H_s^{ab} \approx 3,35$ T).
  • O sinal está confinado a temperaturas abaixo de $T_N$ e campos abaixo de $H_s^{ab}$, correlacionando-se com a região da transição metamagnética.
• Magnetorresistência (MR):
  • Para $H \parallel ab$ e $I \parallel c$, observa-se uma MR negativa fraca em forma de borboleta em baixas temperaturas, com pico próximo ao campo de transição metamagnética.
  • Para $H \parallel c$ e $I \parallel ab$, uma histerese pronunciada em forma de borboleta é observada na MR, a qual está ausente nas curvas de magnetização $M(H)$. Esta histerese é fortemente dependente do ângulo, diminuindo conforme o campo rotaciona do eixo $c$ para o plano $ab$.

Interpretação e Mecanismos
Os autores atribuem o THE observado a uma finita quiralidade de spin escalar (SSC) decorrente de texturas de spin não coplanares induzidas por campo. Como o EuAuAs é centrossimétrico, a formação dessas texturas é provavelmente impulsionada pela transição metamagnética e pela competição entre configurações magnéticas anisotrópicas, em vez de DMI de volume. A reversão de sinal do THE é interpretada como uma reconstrução do estado AFM não coplanar.

A MR em forma de borboleta, particularmente a histerese observada para $H \parallel c$ onde nenhuma transição metamagnética é vista na magnetização, está ligada à evolução de domínios antiferromagnéticos e ao aprisionamento de paredes de domínio (domain-wall pinning). A forte dependência angular da MR sugere que essa dinâmica de domínios é governada pela anisotropia magnética do sistema.

Significância
Este trabalho fornece uma investigação sistemática da interação entre texturas magnéticas e transporte eletrônico no antiferromagneto centrossimétrico EuAuAs. As principais contribuições são:

1. Identificação do THE em um AFM Centrossimétrico: Demonstrar que texturas de spin não coplanares induzidas por campo podem gerar um THE significativo em um sistema centrossimétrico sem DMI de volume.
2. Correlação de Transições Magnéticas e de Transporte: Estabelecer uma ligação direta entre a transição metamagnética, o THE com reversão de sinal e as anomalias de MR de baixo campo.
3. Visão sobre a Dinâmica de Domínios: Revelar que a histerese da MR em forma de borboleta pode servir como uma sonda sensível para a evolução e o aprisionamento de domínios AFM, mesmo quando as curvas de magnetização parecem suaves.

Os resultados sugerem que as texturas de spin induzidas por campo e a dinâmica de domínios magnéticos desempenham um papel crítico nas propriedades de magnetotransporte do EuAuAs, oferecendo novas percepções sobre a física dos antiferromagnetos centrossimétricos.