笼目(kagome)结构磁性材料具有独特的准二维晶体结构、可调控的拓扑能带结构和磁结构,从而表现出大的反常输运行为、磁斯格明子、手性反常等诸多新奇的物理特性。其中,笼目六角反铁磁Mn₃X(Ga、Ge、Sn)合金具有拓扑能带结构,可以表现出大的磁电响应效应。同时,兼具反铁磁无杂散场、本征频率高等特性,是新型反铁磁自旋电子学器件理想的候选材料。
近年来,Mn₃Sn和Mn₃Ge在实验上已经相继被证实其具有大的反常霍尔效应,反常能斯特效应等,而笼目六角Mn₃Ga单晶始终未被报道。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心怀柔研究部HM03课题组长期从事新型磁性功能材料的开发及物性研究,近年来对六角结构磁性材料体系有着深入的研究。
最近,课题组博士后宋林轩、博士生周凤和刘永昌特聘研究员等,在笼目六角反铁磁Mn₃Ga单晶的制备及物性研究方面取得了重要进展。Mn₃Ga为六角晶体结构,空间群为P6₃/mmc,由Mn原子构成的笼目晶格以及晶格中心位置的Ga原子沿z轴堆砌而成,笼目晶格内三个近邻Mn原子的磁矩互呈120°形成非共线反铁磁结构。
相较于Mn₃Sn和Mn₃Ge,Ga原子的价电子较少,正分Mn₃Ga的费米能级距外尔点相对较远,理论预测其反常霍尔电导率较小。
通过助溶剂法,他们首次制备出了偏分的Mn₃Ga单晶Mn₂.₄Ga,并发现了Mn₂.₄Ga具有明显的各向异性大反常霍尔效应。当磁场施加于笼目晶格面内时反常霍尔电导最大,室温反常霍尔电导率最大可达150Ω⁻¹cm⁻¹,优于Mn₃Sn和Mn₃Ge。低温下最大可达527Ω⁻¹cm⁻¹,与理论预测结果相近。
该工作首次制备出了偏分的Mn₃Ga单晶,填补了笼目六角反铁磁材料Mn₃X(Ga、Ge、Sn)中对Mn₃Ga单晶的研究空白,发现了Mn₃Ga中费米能级调控反常霍尔效应的机制,为反铁磁自旋电子学器件提供了新的候选材料和设计思路。