Экспериментальный метод обнаружения АЭХ в RuO₂. Рисунок, показывающий расположение атомов Ru с наложенными изоповерхностями спиновой плотности ab initio и подрешетками с противоположными спинами, обозначенными зеленым и пурпурным цветами соответственно. Расположение атомов O показано черными точками. Черная двойная стрелка и ее метка подчеркивают, что две кристаллические подрешетки с противоположными магнитными моментами связаны четырехкратным преобразованием вращения в реальном пространстве. Авторы и права: Feng et al.

Эффект Холла — это явление проводимости, открытое физиком Эдвином Гербертом Холлом, которое описывает развитие поперечного электрического поля в твердых материалах, несущих электрический ток, помещенных в магнитное поле, перпендикулярное этому току. В 1950-х годах Мартин Карплюс и Хоакин Маздак Латтингер показали, что аномальная холловская проводимость также может наблюдаться в ферромагнитных металлах с нарушенной симметрией обращения времени.

В то время как ферромагнитные материалы имеют магнитные моменты, которые выстраиваются параллельно приложенным магнитным полям, антиферромагнитные материалы имеют антипараллельные магнитные моменты. Прошлые исследования показали, что антиферромагнетики не обладают такими же магнитоэлектронными свойствами, как ферромагнетики, и не проявляют аномального эффекта Холла. Таким образом, до сих пор большинство исследований аномального эффекта Холла проводилось на ферромагнетиках.

Исследователи из Бейханского университета, Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце и Хуачжунского университета науки и технологий недавно наблюдали аномальный эффект Холла в диоксиде рутения (RuO₂), материале с классической кристаллической структурой рутила, который, как недавно было обнаружено, имеет антипараллельный магнитный порядок. Их выводы, опубликованные в статье в Nature Electronics, могут открыть интересные возможности для дальнейших исследований материалов с так называемым компенсированным антипараллельным магнитным порядком, таких как RuO₂.

«Было предсказано, что RuO₂ с компенсированным антипараллельным магнитным порядком будет генерировать аномальный эффект Холла, сравнимый по силе с ферромагнетиками», — написали Зексин Фенг и его коллеги в своей статье. «Это явление возникает из-за альтермагнитной фазы RuO₂ с характерной чередующейся спиновой поляризацией как в кристаллической структуре реального пространства, так и в зонной структуре импульс-пространство».

В своих экспериментах Фэн и его коллеги использовали методы векторной магнитометрии и магнитотранспортных измерений. Векторные магнитометры — это инструменты, которые позволяют исследователям измерять силу, направление и другие свойства магнитного поля. С другой стороны, системы измерения магнитотранспорта можно использовать для изучения электрических транспортных свойств материалов в магнитном поле.

Исследователи применили эти два метода к эпитаксиальным пленкам RuO₂ с различной ориентацией кристаллов. Собранные ими измерения выявили наличие аномального эффекта Холла.

«Мы сообщаем об аномальном эффекте Холла в RuO₂ с аномальной холловской проводимостью, превышающей 1000 Ом ^-1  см ^-1 », - объяснили Фэн и его коллеги в своей статье. «Мы комбинируем векторную магнитометрию и магнитотранспортные измерения эпитаксиальных пленок RuO₂ с различной кристаллографической ориентацией. Мы показываем, что аномальный эффект Холла преобладает над обычным вкладом Холла и вкладом, обусловленным слабой полевой намагниченностью».

Выводы, полученные этой группой исследователей, показывают, что магнитоэлектронные эффекты, нарушающие Т-симметрию, не ограничиваются ферромагнетиками или сложными неколлинеарными магнитами, поскольку их также можно обнаружить в некоторых материалах с антипараллельным магнитным порядком. В будущем их работа может проложить путь для других исследований свойств RuO₂.

«Наши результаты могут привести к исследованию топологических фаз Берри и бездиссипативного квантового транспорта в кристаллах с большим количеством элементов и с компенсированным антипараллельным магнитным порядком», — написали Фэн и его коллеги.