拓扑材料大线性正磁电阻的贝利曲率模型与实验验证

来源: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

发布日期: 2022-11-09

中国科学院物理研究所的M09课题组在磁性拓扑材料领域取得重要进展,通过研究磁性外尔半金属CoS₂的高质量单晶,观测到了磁性拓扑材料中最大的线性正磁电阻现象,并提出了贝利曲率主导的线性正磁电阻模型,这一模型成功解释了实验结果,并为未来的材料设计和磁场探测提供了理论基础。

近十年来,拓扑材料展现出丰富的新奇物理行为,拓宽了人们对凝聚态物理的认识。拓扑材料所具有的线性交叉能带可产生低能激发准粒子,对应于量子场论中的外尔费米子。由于质量为零,外尔费米子具有很大的迁移率,对材料宏观的输运现象会产生显著影响。定量研究外尔费米子对输运的影响离不开贝利曲率,拥有左右手性的外尔费米子可以视为动量空间中的正负磁单极子,而贝利曲率就是动量空间中磁单极子产生的赝磁场。

贝利曲率引起的输运行为目前主要集中在手性异常现象和横向内禀反常输运现象上,比如内禀反常霍尔电导率和内禀反常能斯特横向热电导率,二者分别正比于贝利曲率在整个费米面以下和费米面附近的积分。

除了大的反常横向输运行为以外,在很多拓扑材料中也观测到了大的线性正磁电阻现象。这一现象有别于经典的磁场平方响应规律而引起了人们的关注。对该现象的研究最初并未与拓扑物理关联。

从2000年左右开始,便有不同的机制来解释这一现象,但这些机制多与杂质散射有关。后来也有一些贝利曲率与线性正磁电阻关联的理论研究,包括:线性正磁电阻可能来源于狄拉克点劈裂成的外尔点,双外尔点模型中inter-node散射会导致线性正磁电阻。在拓扑材料的实验研究中,关于线性正磁电阻的解释众说纷纭,特别是贝利曲率与线性正磁电阻的关联机制一直缺乏实验证据。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M09课题组致力于磁性拓扑新材料、器件与物理的研究,在磁性拓扑领域积累了系列重要成果。

最近,该课题组博士生张伸、王一博等,在刘恩克研究员、沈保根院士的指导下,与合作者一起,生长并研究了磁性外尔半金属CoS₂的高质量单晶,观测到了磁性拓扑材料中最大的线性正磁电阻现象,进一步基于外尔点图像提出了贝利曲率主导的线性正磁电阻模型,并引入温度因素,能很好地拟合实验结果。

本研究将贝利曲率与拓扑材料的线性正磁电阻关联起来,可理解为拓扑材料的线性正磁电阻是动量空间赝磁场和实空间外磁场的联合作用。根据所提模型,费米面附近的贝利曲率越强,费米面越小,在拓扑材料中就可能发现越强的线性正磁电阻行为。该模型可以与实验测量数据有效地结合,便于进行机制的确认和参数的拟合,可用于寻找或设计面向大磁场探测的线性正磁电阻材料。

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