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

技术摘要：中心对称反铁磁体 EuAuAs 中的场诱导拓扑霍尔效应与蝴蝶形磁电阻现象

问题陈述
虽然已知磁性材料中磁性自由度与电子自由度之间的耦合会产生复杂的输运现象，但驱动中心对称反铁磁体中拓扑霍尔效应（THE）和磁电阻（MR）的具体机制仍是一个活跃的研究领域。与通过 Dzyaloshinskii–Moriya 相互作用（DMI）稳定斯格明子（skyrmions）的非中心对称系统不同，中心对称材料缺乏这种内在的对称性破缺，但它们仍能表现出拓扑自旋织构。EuTX 系列（T = 过渡金属，X = 氮族元素）为研究这些现象提供了肥沃的平台，但此前对于 EuAuAs 的磁性和输运性质（特别是其与磁性织构的关系）的详细理解尚不明确。

实验方法
作者使用� बि斯马特（bismuth）熔体法合成了高质量的 EuAuAs 单晶。通过粉末和单晶 X 射线衍射（XRD）验证了结构质量，确认其具有六方 ZrBeSi 型结构（空间群 $P6_3/mmc$）。利用 Quantum Design MPMS-3 系统表征了磁学性质，测量了零场冷却（ZFC）和场冷却（FC）下的磁化率，以及施加于 $ab$平面（$H \parallel ab$）和$c$轴（$H \parallel c$）方向的场依赖磁化曲线（$M(H)$）。使用 Quantum Design PPMS-14 T 系统进行电学输运测量。在电流沿 $c$ 轴（$I \parallel c$）、磁场沿 $ab$面施加以及$H \parallel c$和$I \parallel ab$的配置下，测量了霍尔电阻率（$\rho_{xz}$）和纵向电阻率（$\rho_{xx}$）。通过将磁场从$c$轴向$ab$ 平面旋转，进行了角度依赖的磁电阻（MR）测量。

主要结果

• 晶体结构与电阻率： EuAuAs 具有层状结构，由交替的磁性 Eu 层和非磁性 Au–As 层组成。电阻率测量表明其具有金属行为。观察到强烈的电子各向异性，其中沿 $c$ 轴的纵向电阻率（$\rho_{zz}$）显著大于 $ab$平面内的电阻率（$\rho_{xx}$）。
• 磁学性质： 磁化率测量显示在 $T_N \approx 5.7$ K（$H \parallel ab$）和 $T_N \approx 6.3$ K（$H \parallel c$）处存在反铁磁（AFM）转变。居里-外斯拟合给出了正的 Weiss 温度，表明在顺磁区存在铁磁相互作用。
  • 对于 $H \parallel ab$， $M(H)$ 曲线在约 0.5 T（$H_t^{ab}$）处表现出明显的亚铁磁转变（metamagnetic transition），并在 0.6 T 以下具有微小的磁滞回线。
  • 对于 $H \parallel c$，$M(H)$ 曲线平滑，无亚铁磁转变或磁滞现象。
  • 饱和磁化强度分别在 $\sim$2.5 T（$H \parallel ab$）和 $\sim$3.5 T（$H \parallel c$）时达到，数值接近 Eu 的理论矩 $7.0 \mu_B$/Eu，表明具有易面各向异性。
• 拓扑霍尔效应 (THE)： 在 $H \parallel ab$ 且 $I \parallel c$ 的反铁磁态下观察到显著的 THE。通过将总霍尔电阻率分解为正规、反常和拓扑分量，作者提取出峰值约为 $0.32 \mu\Omega$cm（在 1.1 T 时）的拓扑霍尔电阻率（$\rho_{xz}^T$）。
  • $\rho_{xz}^T$ 信号随着磁场增加表现出符号反转（从正到负），并在接近饱和场（$H_s^{ab} \approx 3.35$ T）时消失。
  • 该信号仅限于 $T < T_N$ 且 $H < H_s^{ab}$ 的温度和磁场范围内，这与亚铁磁转变区域相关联。
• 磁电阻 (MR)：
  • 对于 $H \parallel ab$ 且 $I \parallel c$，在低温下观察到微弱的蝴蝶形负磁电阻，其峰值出现在亚铁磁转变场附近。
  • 对于 $H \parallel c$ 且 $I \parallel ab$，在 MR 中观察到显著的蝴蝶形磁滞现象，而这种磁滞在 $M(H)$ 曲线中是不存在的。这种磁滞具有强烈的角度依赖性，随着磁场从 $c$ 轴旋转向 $ab$ 平面，该现象逐渐减弱。

解释与机制
作者将观察到的 THE 归因于由场诱导的非共面自旋织构产生的有限标量自旋手性（SSC）。由于 EuAuAs 是中心对称的，这些织构的形成很可能是由亚铁磁转变以及各向异性磁构型之间的竞争驱动的，而非源于体相 DMI。THE 的符号反转被解释为非共面反铁磁态的重构。

蝴蝶形 MR（特别是对于在磁化曲线中未见亚铁磁转变的 $H \parallel c$ 情况）与反铁磁畴的演化和畴壁钉扎有关。MR 的强角度依赖性表明，这些畴动力学受系统的磁各向异性支配。

意义
本工作对中心对称反铁磁体 EuAuAs 中磁性织构与电子输运之间的相互作用进行了系统研究。其核心贡献包括：

1. 在中心对称反铁磁体中识别出 THE： 证明了即使在没有体相 DMI 的中心对称系统中，场诱导的非共面自旋织构也能产生显著的 THE。
2. 关联输运与磁转变： 建立了亚铁磁转变、符号反转的 THE 以及低场 MR 反常之间的直接联系。
3. 对畴动力学的洞察： 揭示了即使在磁化曲线表现平滑的情况下，蝴蝶形 MR 磁滞也可以作为探测反铁磁畴演化和钉扎的敏感探针。

结果表明，场诱导的自旋织构和磁畴动力学在 EuAuAs 的磁输运性质中起着至关重要的作用，为中心对称反铁磁体的物理学提供了新的见解。