Modulation of anomalous Hall angle in a magnetic topological semimetal

技术摘要：磁性拓扑半金属中反常霍尔角的调制

问题陈述
反常霍尔角 ($\theta_A$) 定义为总电流密度与驱动电流密度之间的夹角，它是衡量将纵向电电流转化为横向自旋极化霍尔电流效率的关键指标。较大的 $\theta_A$ 对于增强反常霍尔（AHE）传感器的灵敏度以及为自旋转移力矩应用产生高效自旋电流至关重要。然而，在大多数传统磁性材料中，$\theta_A$ 通常较小（0.1° 到 3°，对应 $\tan\theta_A$ 为 0.1 到 0.05），这限制了 AHE 的技术应用。虽然具有 Weyl 费米子的拓扑磁体表现出巨大的固有反常霍尔电导率 ($\sigma^A_H$)，但旨在最大化 $\theta_A$ 的系统性调制方案及其背后的物理规则尚未得到充分研究。

方法论与物理方案
作者提出了一个通过建立反常霍尔角与两个实验可及参数——纵向电阻率 ($\rho_{xx}$) 和反常霍尔电导率 ($\sigma^A_H$) 之间的关系来调制 $\theta_A$ 的理论框架。

• 理论公式： 基于 Drude 模型和张量转换，作者推导出 $\tan\theta_A$ 是 $\rho_{xx}\sigma^A_H$ 乘积的函数。他们确定了该关系的两个数学解，重点关注主导电子输运的金属区解 ($\tan\theta_{A1}$)。
• 调制策略： 研究表明，要获得较大的 $\tan\theta_A$，必须同时增加 $\rho_{xx}$ 和 $\sigma^A_H$。作者提出了一个“烟囱状”分布，其中任一参数的低值都会导致低 $\tan\theta_A$。最有效的路径是在“过渡区”内运行，在该区域内，通过散射机制（例如）在不显著退化能带结构的情况下增加 $\rho_{xx}$，同时保持较高的固有 $\sigma^A_H$。
• 实验方法： 选择磁性 Weyl 半金属 $\text{Co}_3\text{Sn}_2\text{S}_2$ 作为测试平台，因为它具有巨大的固有 $\sigma^A_H$。研究人员采用了三个主要的自由度来调制这些参数：
  1. 温度： 利用电子-马格农散射在低温下增加 $\rho_{xx}$，同时保持 $\sigma^A_H$ 的固有性。
  2. 厚度： 通过减少单晶纳米片的厚度，通过表面散射增加 $\rho_{xx}$。
  3. 化学掺杂： 引入 Fe 掺杂，以同时通过杂质散射增强 $\rho_{xx}$ 并通过外在贡献及潜在的能带结构修改增强 $\sigma^A_H$。

关键结果

• $\tan\theta_A$ 的调制： 通过结合 $\text{Co}_3\text{Sn}_2\text{S}_2$ 纳米片中的 Fe 掺杂与厚度减薄，作者成功将 $\tan\theta_A$ 调制到 0.46 的量级，对应于约 25° 的角度。这比许多传统磁性材料实现了数量级的提升。
• 机制验证：
  • 对块体和纳米片样品的温度依赖性测量证实，$\sigma^A_H$ 在 90 K 以下保持固有且稳定，而 $\rho_{xx}$ 显著增加，从而驱动 $\tan\theta_A$ 上升。
  • 厚度减薄进一步增加了 $\rho_{xx}$，将系统推入 $\tan\theta_A$ 达到峰值的过渡区。
  • Fe 掺杂引入了外在散射，使 $\rho_{xx}$ 增加到 200–300 $\mu\Omega\cdot\text{cm}$，同时保持高 $\sigma^A_H$（约 1300–1600 $\Omega^{-1}\cdot\text{cm}^{-1}$），从而获得了创纪录的高 $\tan\theta_A$。
• 器件性能： 使用 Fe 掺杂的 $\text{Co}_3\text{Sn}_2\text{S}_2$ 纳米片制造的微纳加工反常霍尔器件展示了：
  • 霍尔灵敏度为 7028 ± 341 $\mu\Omega\cdot\text{cm/T}$。
  • 在 1 Hz 处的磁场可探测性为 23.5 ± 1.7 $\text{nT}/\sqrt{\text{Hz}}$。
  • 这些指标显示出优于现有 AHE 传感器材料的竞争优势。

意义与主张
本文声称提供了一种调节反常霍尔角的通用物理方案，超越了传统仅侧重于最大化反常霍尔电导率的关注点。通过证明 $\tan\theta_A$ 可以通过平衡电阻率和电导率来进行优化，作者使磁性金属实现“巨大飞跃”成为可能，将 $\theta_A$ 推向了此前在金属系统中无法达到的新水平。

作者断言，该方案对于推动磁电子学和自旋电子学的应用具有重要意义，特别提到了：

• 高灵敏度磁场检测： 展示出的低噪声和高灵敏度使这些材料适用于下一代传感器。
• 自旋电子器件： 巨大的反常霍尔角是用于自旋转移力矩应用的高效自旋电流源。
• 具体应用： 该工作暗示了在自动驾驶智能汽车和硬盘读写器中的应用潜力。

研究结论指出，这种调制策略可以扩展到其他拓扑磁体，以产生巨大的反常霍尔电流并可能产生巨大的自旋霍尔电流，从而促进拓扑材料在实际电子设备中的集成。