Впервые специалисты зафиксировали аномальный эффект Холла в коллинеарном антиферромагните, не обладающем намагниченностью. Это удивительное явление наблюдалось в материале, где электроны ведут себя как не-Ферми-жидкость. Открытие открывает новые возможности для создания технологий хранения данных.
Аномальное возникновение напряжения Холла в отсутствии внешнего магнитного поля приписывают ферромагнитным материалам. В таких материалах электроны ориентируют свои спины в едином направлении, формируя намагниченность.
Однако в антиферромагнетиках Магнитные моменты соседних атомов ориентированы в разные стороны, уравновешивая намагниченность. Раньше полагали, что аномальный эффект Холла в подобных материалах недостижим, а предыдущие исследования не показывали сильных признаков этого явления.
Исследователи, авторы нового исследования, опубликованного в журнале… Nature Communications, впервые показали В коллинеарном антиферромагните — веществе с параллельно ориентированными, но чередующимися направлениями спинов атомов — наблюдается сильный аномальный эффект Холла. Такое явление не согласуется с актуальными теориями и подразумевает пересмотр механизмов, лежащих в основе этого эффекта.
Физики провели серию экспериментов с материалом V₁/₃NbS₂ — слоистым веществом из сульфида ниобия с добавлением ванадия. При охлаждении ниже 50 кельвин материал переходил в антиферромагнитное состояние.
Чтобы доказать линейно-антиферромагнитную структуру вещества, ученые применили… дифракцию нейтроновОна продемонстрировала последовательность спинов без намагничивания.
Кроме того, учёные использовали метод DFT+DMFT (объединение) теории функционала плотности и динамической теории среднего поляДля анализа электронных свойств системы с учётом квантовых корреляций использовался такой подход.
Ученые измерили эффект Холла при температурах от двух до пятидесяти кельвин и магнитных полях до восьми тесла. Несмотря на отсутствие намагниченности, при двух кельвинах наблюдалось поперечное напряжение 0,1 микроома на сантиметр — в десять раз выше, чем предсказывала классическая модель. Эффект сохранялся даже при отсутствии внешнего магнитного поля.
Главной особенностью эксперимента является связь эффекта с состоянием, которое не соответствует Ферми-жидкости. В этом режиме электроны утрачивают свойства квазичастиц, а сопротивление материала прямо пропорционально температуре. Такое поведение свойственно квантово-критическим системам и наблюдалось в высокотемпературных сверхпроводниках, но в антиферромагнетиках — впервые.
Ученые считают, что эффект обусловлен топологией электронных зон материала. В V₁/₃NbS₂ плоские зоны около уровня Ферми порождают сильные корреляции между электронами, формируя «виртуальное магнитное поле», которое и вызывает аномальный эффект Холла.
Существует гипотеза о роли структурных дефектов. Рентгеновская дифракция обнаружила 15% ванадия в неправильных позициях. Такие дефекты могут генерировать локальные искажения спиновой решетки, воздействующие на макроскопические характеристики.
Открытие порождает новые вопросы: как именно электронные корреляции и топология воздействуют на эффект? Возможно ли его управление путем изменения состава материала? Для проверки гипотез ученые собираются использовать Рамановскую спектроскопию и эксперименты с применением давления.
Коллинеарные антиферромагнетики, подобные обнаруженному, могут служить основой для энергоэффективной спинтроники. Их особенность — отсутствие магнитного поля, которое не участвует в работе устройства. Для создания сверхплотных устройств нужно научиться управлять доменной структурой и сокращать дефекты.
Исследование пересмотрело связь аномального эффекта Холла с намагниченностью и открыло новое направление для изучения квантовых материалов. Сочетание топологии, корреляций и антиферромагнетизма может привести к прорывам в электронике будущего.