Ученые впервые зафиксировали аномальный эффект Холла в коллинеарном антиферромагнетике, который не был намагничен. Это неожиданно произошло в материале, где электроны ведут себя как не-Ферми-жидкость. Физикам предстоит заново разобраться в природе эффекта, который открывает путь к созданию новых технологий хранения данных.
Зонная структура DFT + DMFT: спектральная функция для антиферромагнитного состояния / © Mayukh Kumar Ray et. al./Springer Nature Limited
Аномальный эффект Холла — явление, когда электрическое напряжение появляется поперек проводника без внешнего магнитного поля — обычно связывают с ферромагнетиками. В них электроны выстраивают спины в одном направлении, создавая намагниченность.
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 нового исследования, опубликованного 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.
Физики провели серию экспериментов с материалом V₁/₃NbS₂ — слоистой структурой из сульфида ниобия с добавлением ванадия. При охлаждении ниже 50 кельвин материал переходил в антиферромагнитное состояние.
Чтобы подтвердить коллинеарную антиферромагнитную структуру материала, ученые использовали дифракцию нейтронов. Она показала упорядоченное чередование спинов без намагниченности.
Дополнительно исследователи применили метод DFT+DMFT (сочетание теории функционала плотности и динамической теории среднего поля), чтобы проанализировать электронные свойства системы с учетом квантовых корреляций. Этот подход помог объяснить связь между необычным поведением электронов и топологией материала.
Ученые измерили эффект Холла в диапазоне температур от двух до 50 кельвин и магнитных полей до восьми тесл. Несмотря на отсутствие намагниченности, при двух кельвинах они фиксировали поперечное напряжение 0,1 микроома на сантиметр — в 10 раз выше, чем предсказывали классические модели. Эффект сохранялся даже при нулевом внешнем поле.
Главная аномалия эксперимента — связь эффекта с не-Ферми-жидкостным состоянием. В этом режиме электроны теряют свойства квазичастиц, а сопротивление материала становится пропорционально температуре, что характерно для квантово-критических систем. Такое поведение наблюдали в высокотемпературных сверхпроводниках, но в антиферромагнетиках — впервые.
Ученые предположили, что эффект связан с топологией электронных зон материала. В V₁/₃NbS₂ плоские зоны около уровня Ферми создают сильные корреляции между электронами. Это формирует «виртуальное магнитное поле», которое и вызывает аномальный эффект Холла.
Другая гипотеза — роль дефектов структуры. Рентгеновская дифракция выявила 15% ванадия в «неправильных» позициях. Такие дефекты могут создавать локальные искажения спиновой решетки, которые влияют на макроскопические свойства.
Открытие ставит новые вопросы. Как именно электронные корреляции и топология влияют на эффект? Можно ли управлять им, меняя состав материала? Ученые планируют проверить гипотезы с помощью рамановской спектроскопии и экспериментов под давлением.
Коллинеарные антиферромагнетики, подобные найденному, могут стать основой для энергоэффективной спинтроники. Их преимущество — отсутствие «паразитного» магнитного поля, что позволяет создавать сверхплотные устройства. Однако для этого предстоит научиться контролировать доменную структуру и минимизировать дефекты.
Новое исследование пересмотрело связь аномального эффекта Холла с намагниченностью и открыло новое направление в изучении квантовых материалов. Сочетание топологии, корреляций и антиферромагнетизма может привести к прорывам в электронике следующего поколения.
