科技日報記者 吳長鋒
記者19日從中科院合肥物質科學研究院獲悉，該院強磁場中心田明亮課題組利用磁輸運方法，在本征反鐵磁拓撲絕緣體中發現體態軌道磁矩產生的四重對稱性的平面霍爾效應。相關研究成果日前發表于國際期刊《納米通信》。
拓撲量子材料由于其獨特的性能，在未來低功耗量子自旋器件中具有重要的應用價值，是當前相關領域的研究熱點。在拓撲材料中，貝里曲率和軌道磁矩是兩個基本的贗矢量，對材料物性會產生重要影響。雖然軌道磁矩在谷電子學和手性磁效應中具有重要作用，相比于貝里曲率的研究，軌道磁矩相關新奇物性的研究還很少。近年來，本征反鐵磁拓撲絕緣體受到了廣泛關注。這個體系不僅具有豐富的物性，比如量子反常霍爾效應、拓撲軸子態等，同時也為研究軌道磁矩和貝里曲率對量子輸運現象的影響提供了一個很好的平臺。
中科院合肥研究院供圖
研究人員利用微納加工技術制備了基于本征反鐵磁拓撲絕緣體納米片的Hall-bar器件，通過平面霍爾效應的測量，研究了貝里曲率和軌道磁矩對輸運現象的影響。實驗發現，在低溫弱磁場下，平面霍爾效應表現出二重對稱性且電阻各項異性大于零。通過分析，這種π周期的平面霍爾效應可以歸因于無能隙的拓撲表面態。而當體系進入極化鐵磁態時，平面霍爾效應的周期從π轉變成π/2，同時幅值由正變為負。為了闡明π/2周期的物理機制，研究人員進行了理論計算。計算結果表明，π/2周期的平面霍爾效應來源于體態狄拉克電子的拓撲軌道磁矩，且理論結果與實驗結果完全吻合。進一步的實驗發現，隨著溫度的升高，由于體態和表面態的競爭，平面霍爾效應會發生非平庸演化。
這項成果不僅揭示了軌道磁矩誘導的新穎電磁效應，也為磁性拓撲材料在低功耗自旋電子學中的應用提供了指引。
營業執照公示信息