Впервые ученые наблюдали необычный эффект Холла в коллинеарном антиферромагнетике, не обладающем намагниченностью. Данный эффект проявился неожиданно в материале, где электроны демонстрируют свойства не-Ферми-жидкости. Это открытие требует переосмысления природы эффекта Холла и может привести к разработке инновационных технологий хранения информации.
Эффект Холла, проявляющийся в возникновении электрического напряжения поперек проводника даже при отсутствии внешнего магнитного поля, чаще всего наблюдается в ферромагнитных материалах. Это связано с тем, что в них спины электронов ориентированы в одном направлении, что приводит к возникновению намагниченности.
Однако в антиферромагнетиках спины соседних атомов направлены противоположно, компенсируя намагниченность. До сих пор считалось, что аномальный эффект Холла в таких материалах невозможен, а предыдущие попытки обнаружить эффект в них давали слабые сигналы.
Авторы недавнего исследования, представленного в журнале Nature Communications, впервые показали сильный аномальный эффект Холла в коллинеарном антиферромагнетике — материале, в котором спины атомов выстроены параллельно, но чередуют направление. Это противоречит существующим теориям и требует пересмотра механизмов, лежащих в основе явления.
Ученые провели ряд экспериментов с материалом V₁/₃NbS₂ — слоистой структурой, состоящей из сульфида ниобия с добавлением ванадия. При понижении температуры ниже 50 кельвинов материал демонстрировал переход в антиферромагнитное состояние.
Для подтверждения коллинеарной антиферромагнитной структуры материала исследователи применили дифракцию нейтронов. Она продемонстрировала упорядоченное чередование спинов, не имеющих намагниченности.
Дополнительные исследования проводились с использованием метода DFT+DMFT (комбинация теории функционала плотности и динамической теории среднего поля), для изучения электронных свойств системы с учетом квантовых корреляций был использован данный подход. Он позволил установить взаимосвязь между аномальным поведением электронов и топологией материала.
В ходе исследований ученые определили величину эффекта Холла при температурах от 2 до 50 кельвинов и при магнитных полях до 8 тесла. При температуре 2 кельвина, даже при отсутствии намагниченности, было зарегистрировано поперечное напряжение в 0,1 микроома на сантиметр — это в десять раз превышает прогнозы, основанные на классических моделях. Данный эффект наблюдался даже при отсутствии внешнего магнитного поля.
Ключевым отличием данного эксперимента является зависимость эффекта от состояния, не являющегося Ферми-жидкостью. В таком состоянии электроны утрачивают свойства квазичастиц, а электрическое сопротивление материала становится прямо пропорциональным температуре, что свойственно квантовым критическим системам. Подобную особенность ранее фиксировали в высокотемпературных сверхпроводниках, однако для антиферромагнетиков это наблюдается впервые.
Предполагается, что причина эффекта кроется в топологии электронных зон материала. В V₁/₃NbS₂ плоские зоны, расположенные вблизи уровня Ферми, приводят к возникновению значительных корреляций между электронами. В результате формируется «виртуальное магнитное поле», которое и является причиной аномального эффекта Холла.
Существует и другая гипотеза, связанная с дефектами структуры. Рентгеновская дифракция показала, что 15% ванадия находится в отклонениях от ожидаемых позиций. Эти структурные дефекты способны вызывать локальные искажения спиновой решетки, что, в свою очередь, сказывается на макроскопических свойствах.
Появление данного явления порождает новые вопросы. Каким образом электронные корреляции и топология определяют эффект? Возможно ли контролировать его, изменяя состав материала? Для проверки выдвинутых гипотез ученые намерены использовать рамановскую спектроскопию и проводить эксперименты под давлением.
Коллинеарные антиферромагнетики, подобные обнаруженному, способны послужить основой для энергоэффективной спинтроники. Ключевым преимуществом этих материалов является отсутствие нежелательных магнитных полей, что открывает возможности для разработки сверхплотных устройств. Для реализации этого потенциала необходимо научиться управлять доменной структурой и снижать количество дефектов.
Новое исследование изменило представление об отношении аномального эффекта Холла к намагниченности и обозначило перспективное направление в изучении квантовых материалов. Объединение топологии, корреляций и антиферромагнетизма может стать ключом к созданию электроники нового поколения.