Crystal growth, magnetic, and transport properties of the candidate altermagnet Cr$_{1/4}$NbS$_{2}$

技术摘要：候选交错磁体 Cr$_{1/4}$NbS$_2$ 的晶体生长、磁性及输运性质

问题与动机
交错磁性（Altermagnetism, AM）代表了一类独特的磁有序类别，其特征是具有共线的、自旋补偿的晶格，尽管如此，其电子能带结构仍表现出动量依赖的自旋分裂。虽然理论框架预测了大量涵盖绝缘体、半导体和金属的交错磁体候选材料，但实验证实的系统仍然有限。由于理论预测 Cr$_{1/4}$NbS$_2$ 即使在没有自旋轨道耦合的情况下也能表现出显著的能带自旋分裂，因此被认为是一个极具前景的交错磁体候选材料。然而，先前的实验研究仅限于多晶样品，无法进行探测交错磁体预测的各向异性性质所需的取向相关研究。此外，尚未有关于该特定相的高质量单晶存在的报道。

方法论
作者使用碘作为传输剂，通过化学气相输运（CVT）法合成了高质量的 Cr$_{1/4}$NbS$_2$ 单晶。多晶前驱体是通过对化学计量比的 Cr、Nb 和 S 进行固相合成制备的，随后在双温炉中进行传输（热源：950°C，热阱：800°C），历时 20 天。

所得的片状单晶通过以下方式进行了表征：

• 结构分析： 使用 X 射线 Laue 衍射和单晶 X 射线衍射（SCXRD）在 100 K 下确定晶体对称性和取向。使用扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散 X 射线光谱（EDX）来验证化学均匀性和化学计量比。
• 热力学与磁性测量： 通过热弛豫法测量热容（$C_p$）（2–270 K）。测量了直流磁化强度随温度（1.8–300 K）和磁场（0–7 T）的变化情况，涵盖两种晶体学取向（$H \perp c$ 和 $H \parallel c$）。
• 输运测量： 使用五点线配置测量电阻率（$\rho_{xx}$）和霍尔电阻率（$\rho_{xy}$）（1.8–300 K，0–9 T），其中电流方向为 $I \perp c$ 且 $H \parallel c$。数据经过对称化和反对称化处理，以分离纵向和横向分量。

主要结果

1. 晶体结构与生长： 作者成功生长出了闪亮的片状单晶。SCXRD 证实了其具有六方晶体对称性和 $P6_3/mmc$ 空间群，这是一种实现所提出的交错磁行为所需的中心对称结构。Cr 原子占据八面体 2a Wyckoff 位点，形成一个 2 $\times$ 2 的面内超结构。EDX 分析确认平均组成为 Cr$_{0.261(6)}$NbS$_{1.95(2)}$，在实验误差范围内与标称的 Cr$_{0.25}$NbS$_2$ 化学计量比一致。
2. 磁有序：
   • 反铁磁性： 热容和电阻率测量明确识别出了在 $T_N \approx 141$ K 处的反铁磁 Néel 转变。热容在该温度处显示出 $\lambda$ 型异常。
   • 铁磁杂质： 磁化率数据揭示了一个具有 $\sim$75 K 有序温度的铁磁组分。作者将其归因于嵌入在 Cr$_{1/4}$NbS$_2$ 基体中不可避免的少数派 Cr$_{1/3}$NbS$_2$ 相（该相为铁磁性）的互生生长。高温磁化率（$\chi^{-1}$）的居里-外斯分析得到了正的 Weiss 温度（$\theta_{CW} \sim +32$ K 和 $+15$ K），这与在二维范德华磁体中常见的竞争性铁磁和反铁磁相互作用相一致。
3. 输运性质：
   • 电阻率： 该材料表现出金属行为，剩余电阻率比（RRR）约为 10，表明晶体质量较高。在 $T_N \approx 141$ K 处电阻率出现剧烈下降。
   • 磁电阻（MR）： MR 行为复杂且具有温度依赖性。在低温（$T \le 30$ K）下，MR 近似为抛物线型（$H^2$）。随着温度升高，MR 表现出非单调演化，包括在 $\pm 3.3$ T 附近出现符号变化和尖峰特征。具体而言，MR 从 50 K 时的正值（类弱反定位）转变为 70–130 K 时的负值（类弱定位），然后在 130 K 以上恢复为抛物线型行为。
   • 霍尔效应： 载流子浓度在 50 K 附近出现显著凹陷。在低温下观察到反常霍尔效应（AHE），该效应在 50 K 以上饱和，并在 70 K 以上改变符号，在 $T_N$ 以上消失。AHE 的磁场依赖性镜像了磁化强度滞回曲线，表明其与少数派 Cr$_{1/3}$NbS$_2$ 互生生长有关。

意义与主张
本文声称，Cr$_{1/4}$NbS$_2$ 单晶的成功合成，为探测该候选交错磁体所预言的丰富现象谱系提供了第一个实验平台。中心对称 $P6_3/mmc$ 结构的确认满足了交错磁性的关键晶体学准则。

作者谦虚地指出，虽然该材料是交错磁体的候选者，但观察到的输运异常（非单调 MR、符号变化的 AHE、载流子浓度凹陷）很可能是由由无序引起的量子扩散输运现象（特别是少数派 Cr$_{1/3}$NbS$_2$ 互生生长）所主导。本文并未声称在本项研究中已经明确观察到了交错磁性能带分裂或自旋分裂输运；相反，它确立了该材料体系，并强调了磁电阻、霍尔响应与形貌之间复杂的相互作用，这值得进一步研究以充分理解输运机制及潜在的交错磁性特征。