Mn3Sn的高压物性研究*

2022-10-21周文星刘晓迪迟振华

低温物理学报 2022年2期

关键词：共线霍尔磁场

周文星刘晓迪†迟振华

1.中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所,合肥 230031

2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院,合肥 230026

3.宁波大学物理科学与技术学院高压物理科学研究院,宁波 315211

1 引言

铁磁体因具有自发磁化而呈现反常霍尔效应(Anomalous Hall Effect,简称AHE).反铁磁体净磁化为零,通常不应具有AHE.因而,在非共线反铁磁体中观察到的AHE困惑了人们很长时间.直到Berry相位概念和理论的提出,才很好的回答了这个问题[1-3].Mn3Sn是一种非共线反铁磁体,展现出室温下大的AHE和能斯特效应、自旋霍尔效应、逆自旋霍尔效应等丰富的物理效应[4-13].常压下,Mn3Sn的反铁磁转变奈尔温度T N约为420 K,在T S～250 K附近发生一个磁结构转变,从非共线磁有序转变到螺旋磁有序[14-17].

压力,作为一个独立于组分和磁场的热力学参数,在不引入组分无序的前提下,通过缩小原子间距增强原子之间的相互作用,通过体积塌缩增强晶体中近邻位置电子轨道波函数之间的交叠,反过来增大电荷跃迁动能对库仑排斥势能之比,是调控关联电子体系微观相互作用的一种连续、可逆、可控的洁净物理手段[18-21].晶体中的磁耦合强度对晶格参数的变化非常敏感,压力通过改变晶格参数可以有效地改变磁结构[22-24].最近,对Mn3Sn的高压X射线衍射研究发现其在5 GPa附近发生一个等结构相变[25].本文中,我们使用金刚石对顶砧(Diamond Anvil Cell,简称DAC)产生高压测量环境,研究了压力对Mn3Sn的低温电输运和反常霍尔效应的影响.研究发现:随压力增加,磁结构转变温度T S先下降,在发生一个等结构电子拓扑转变(Electronic Topological Transition,简称ETT)后快速上升;Mn3Sn的AHE被压力快速抑制,在发生ETT后完全消失.

2 实验方法

实验采用的高压产生装置是日本HMD公司加工的螺纹旋进加压式铍铜金刚石对顶砧,一对台面直径300微米的金刚石压砧通过螺纹旋进互相挤压产生高压,初始厚度为250微米的钨片预压到厚度30微米,利用激光打孔将直径300微米的压痕全部打掉,然后填充立方氮化硼粉和环氧树脂混合物,重新预压到厚度30微米,手工切割5根厚度为5微米的铂片做电极.5电极排布可同时测量样品的纵向电阻R xx和横向霍尔电阻R x y,样品和电极之间的接触布局如图1所示.

图1 样品和电极布局图

3 结果与讨论

不同压力下纵向电阻随温度的变化关系如图2(a)所示,Mn3Sn在0～60 GPa压力范围内一直保持金属导电行为.5 K和300 K的电阻随压力的变化如图3(a)所示,在5.5 GPa附近d R/d P发生明显的转变,根据已有的Mn3Sn高压X射线衍射研究,可以认为是由等结构相变导致的电阻异常[25].当压力超过5.5 GPa,R300K随着加压缓慢下降,而R5K先是突然下降后缓慢上升,从侧面印证了室温和低温下不同的磁结构.通过取电阻对温度一阶微分的最大值得到T S,结果如图2(b)所示.在2.7 GPa以下,T S快速下降,随后快速上升,在24.1 GPa以上,T S缓慢下降,如图3(b)所示.

图2 高压下Mn3 Sn的电输运性质.(a)不同压力下纵向电阻对温度的依赖关系;(b)纵向电阻对温度的一阶微分曲线.

图3 (a)5 K和300 K温度下纵向电阻随压力的变化;(b)磁结构转变温度(T S)随压力的变化.

0.45 GPa和1.13 GPa压力下霍尔电阻(R xy)和反常霍尔电阻(R Axy)在不同温度下随磁场的变化如图4所示.通常霍尔电阻率可以用下面的经验公式ρxy=R0B+R s M来表示[23,26].其中R0和R S分别表示普通霍尔系数和反常霍尔系数.上式右边的第一项与外磁场成正比,源于洛伦兹力引起的普通霍尔效应,第二项是与磁化强度成正比的反常霍尔效应.目前,反常霍尔效应主要有两种机制,一是与Berry曲率相关的本征机制,另一种是与无序及杂质散射相关的非本征机制[3].根据研究,Mn3Sn在室温下的AHE主要来自于动量空间中Berry曲率所导致的反常速率[17,27].通过对R xy(B)曲线的高场部分(2.5～5 T)进行线性拟合,得到的斜率即为R0.很明显,R0随温度是下降的.考虑到R0(～1/(n e))与载流子浓度(n)成反比,因此,n随温度下降而增加.另一方面,高场拟合的截距代表饱和反常霍尔电阻(R AH),如图4(a)中虚线所示.用R xy减去正常霍尔效应的电阻贡献(R0B),就可以得到R Axy(B)曲线,如图4(c)所示.Mn3Sn的AHE随温度降低被抑制,在100 K时R Axy降到零.非共线反铁磁相造成时间反演对称性破缺,在动量空间产生非零的贝里曲率,等效于在动量空间的磁场,从而导致AHE.而螺旋磁有序相保持时间反演对称性,因此仅能观测到线性的普通霍尔效应[28,29].

图4 Mn3 Sn霍尔效应的测量.(a)、(b)分别是在压力为0.45 GPa和1.13 GPa时霍尔电阻在几个特定温度下随磁场的变化;(c)和(d)为(a)、(b)中对应的反常霍尔电阻随磁场的变化.

为了研究压力对Mn3Sn的AHE的影响,测量了室温下Mn3Sn在不同压力下R xy及R Axy随外磁场的变化,如图5所示.在低压下存在AHE,当压力加到5.5 GPa后,R xy随磁场线性变化,表明压力完全抑制了AHE.将不同压力和温度下测量的霍尔曲线拟合得到的R AH汇总,描绘出其压力-温度相图,如图6所示.可以看到,仅在图中左上角的区域(温度大于150 K,压力低于5 GPa)有较明显的AHE.