異常霍爾效應(yīng)（AHE）是凝聚態(tài)物理學(xué)中的一個迷人現(xiàn)象，當電流通過鐵磁材料時，即使沒有外部磁場，也會產(chǎn)生橫向電壓。這種效應(yīng)主要歸因于材料的內(nèi)在特性，如其自旋結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。最近，研究人員在一個表現(xiàn)出自旋波動魔鬼階梯的系統(tǒng)中觀察到了大異常霍爾效應(yīng)，這是一種由一系列具有不同磁化強度的平臺組成的復(fù)雜磁相變。

背景

魔鬼階梯現(xiàn)象是一種在某些材料中觀察到的磁相變，其中磁化強度隨著外部參數(shù)（如溫度或磁場）的變化呈階梯狀變化。這種行為類似于數(shù)學(xué)上的魔鬼階梯函數(shù)，該函數(shù)在無限多個點上是連續(xù)但不可微的。在磁性材料的背景下，魔鬼階梯通常與復(fù)雜的自旋結(jié)構(gòu)和競爭相互作用有關(guān)，導(dǎo)致豐富的相圖。

異常霍爾效應(yīng)傳統(tǒng)上在鐵磁材料中研究，其驅(qū)動力是自發(fā)磁化。然而，最近的研究表明，AHE也可以在反鐵磁和螺旋磁性材料中發(fā)生，其中自旋結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用。在這些系統(tǒng)中，AHE通常與標量自旋手性（SSC）有關(guān)，這是自旋配置非共面的度量。SSC作為有效磁場，在存在電流時引起橫向電壓。

實驗觀察

在最近的一項研究中，研究人員調(diào)查了在表現(xiàn)出自旋波動魔鬼階梯轉(zhuǎn)變的共線反鐵磁金屬SrCo?O??中的AHE。發(fā)現(xiàn)該材料在轉(zhuǎn)變溫度附近和以上顯示出大的AHE，異常霍爾角達到超過2%，這是已知氧化物共線鐵磁體和反鐵磁體中最高的。這種顯著效應(yīng)歸因于由于自旋波動，特別是自旋翻轉(zhuǎn)波動引起的導(dǎo)電電子的強烈散射，這些波動是魔鬼階梯轉(zhuǎn)變的固有特性。

觀察到SrCo?O??中的異常霍爾電導(dǎo)率與電導(dǎo)率呈二次方關(guān)系，表明熱誘導(dǎo)的孤子自旋缺陷促進了SSC誘導(dǎo)的偏斜散射。這一發(fā)現(xiàn)突顯了自旋波動在產(chǎn)生大AHE中的重要性，即使在沒有長程磁序的情況下也是如此。

理論意義

在自旋波動魔鬼階梯系統(tǒng)中觀察到的大AHE對我們理解自旋電子學(xué)現(xiàn)象和自旋結(jié)構(gòu)在電子傳輸中的作用具有重要意義。SSC通常與長程有序的非共面自旋結(jié)構(gòu)有關(guān)，但在具有波動或空間不均勻自旋配置的系統(tǒng)中也可以有效。這擴大了觀察和利用AHE的材料和條件范圍。

從理論角度來看，SrCo?O??中的大AHE可以通過Berry曲率來理解，Berry曲率是電子能帶結(jié)構(gòu)的幾何特性，在動量空間中充當虛擬磁場。Berry曲率與SSC成正比，通過調(diào)整實空間和動量空間的自旋結(jié)構(gòu)可以顯著增強。在魔鬼階梯轉(zhuǎn)變的情況下，自旋波動產(chǎn)生瞬態(tài)非共面自旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大的Berry曲率，從而引起觀察到的AHE。

應(yīng)用與未來方向

在自旋波動魔鬼階梯系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的大AHE為自旋電子學(xué)應(yīng)用開辟了新可能性，其中自旋結(jié)構(gòu)的高效操控和檢測至關(guān)重要。無需外部磁場即可產(chǎn)生大的橫向電壓，這一特性可用于磁傳感器、存儲設(shè)備和能量收集技術(shù)。

未來的研究可以集中在探索其他表現(xiàn)出類似自旋波動轉(zhuǎn)變的材料，并研究自旋結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和傳輸特性之間的相互作用。此外，理論研究可以提供更深入的見解，了解驅(qū)動這些復(fù)雜系統(tǒng)中AHE的機制，并指導(dǎo)設(shè)計具有定制自旋電子功能的新材料。

結(jié)論

在SrCo?O??的自旋波動惡魔階梯轉(zhuǎn)變中觀察到的大異常霍爾效應(yīng)代表了我們對自旋電子學(xué)現(xiàn)象理解的重大進展。該系統(tǒng)中自旋波動與電子傳輸之間的相互作用突顯了非平凡自旋結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生大AHE中的重要性。這一發(fā)現(xiàn)不僅擴大了觀察AHE的材料和條件范圍，還為自旋電子學(xué)應(yīng)用和凝聚態(tài)物理學(xué)基礎(chǔ)研究開辟了新途徑。