(Слева) Аномальный эффект Холла в ферромагнетиках, который проявляется пропорционально намагниченности.
(Справа) Топологический эффект Холла в некомпланарных антиферромагнетиках, который проявляется пропорционально масштабированию фиктивного магнитного поля с телесным углом, натянутым на соседние спины.
Предоставлено: Такаги и др.

Ферромагнетики — это материалы, которые намагничиваются и остаются намагниченными, пока они подвергаются воздействию внешнего магнитного поля. В этих материалах электрические токи обычно индуцируют так называемое поперечное напряжение Холла (т. е. напряжение, возникающее в результате отклонения электронов), которое пропорционально их внутренней намагниченности.

Хотя этот эффект, известный как эффект Холла, широко задокументирован в ферромагнетиках, не прогнозируется, что он спонтанно возникнет в антиферромагнетиках, материалах, в которых соседние ионы ведут себя как магниты, выстраиваясь по регулярной схеме с соседними спинами, обращенными в противоположные стороны. Однако недавние теоретические исследования предполагают, что некомпланарный антиферромагнитный порядок потенциально может вызывать большой спонтанный эффект Холла в материалах без приложения к ним внешнего магнитного поля.

Исследователи из Токийского университета и RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) недавно провели эксперименты для проверки этой гипотезы на двух ван-дер-ваальсовых материалах, а именно CoTa₃S₆ и CoNb₃S₆. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, подтвердили, что специфический некомпланарный антиферромагнитный порядок, характеризующийся скалярной спиновой хиральностью, может вызывать большой и спонтанный топологический эффект Холла в этих соединениях.

«Эффект Холла (т. е. генерация поперечного напряжения под действием тока) — одно из наиболее фундаментальных явлений переноса электронов, и обычно он проявляется пропорционально намагниченности ферромагнетиков (т. е. аномальный эффект Холла)», — Шиничиро Секи, один из исследователей. Кто проводил исследование, рассказал Phys.org. «С другой стороны, недавние теоретические исследования предсказывают, что некомпланарное расположение спинов может вызвать гигантский эффект Холла даже без намагниченности или внешнего магнитного поля, потому что электроны проводимости ощущают фиктивное магнитное поле пропорционально телесному углу, охватываемому соседними спинами».

Вдохновленные предыдущими работами, Секи и его коллеги решили продемонстрировать спонтанный топологический эффект Холла, который, согласно последним теориям, должен возникать в материалах с определенным типом некомпланарного антиферромагнитного порядка. Они специально сосредоточились на двух соединениях с треугольной решеткой и небольшой суммарной намагниченностью.

«Мы выбрали CoTa₃S₆ и CoNb₃S₆ в качестве целевых материалов», — сказал Секи. «Чтобы уточнить их детальное расположение спинов, мы провели эксперименты по рассеянию нейтронов. Анализируя правило затухания и интенсивность магнитных брэгговских отражений, было однозначно установлено расположение спинов типа «все включено».

Некомпланарное антиферромагнитное расположение спинов типа all-in-out, реализованное в CoTa₃S₆ и CoNb₃S₆. Эти соединения содержат два возможных антиферромагнитных домена, которые преобразуются друг в друга с помощью операции обращения времени. Поскольку они характеризуются обратным знаком топологического эффекта Холла, становится возможным электрическое считывание антиферромагнитных доменов.
Предоставлено: Такаги и др.

Эксперименты, проведенные Секи и его коллегами, в конечном итоге подтверждают теоретические предсказания, предполагающие, что в некоторых антиферромагнетиках может возникать значительный спонтанный эффект Холла, не требующий внешнего магнитного поля. Дальнейший анализ показал, что этот эффект может возникать из-за скалярной спиновой хиральности соединений, которые исследовала команда, что создают фиктивное магнитное поле.

«Наши результаты показывают, что некомпланарное расположение спинов может вызывать гигантский топологический эффект Холла даже без намагниченности или внешнего магнитного поля», — пояснил Секи. «Это явление делает возможным электрическое считывание антиферромагнитных доменов и позволяет использовать некомпланарные антиферромагнетики в качестве нового носителя информации».

В целом, результаты этого недавнего исследования подчеркивают перспективность использования скалярной спиновой хиральности материалов для реализации гигантских спонтанных холловских откликов в некомпланарных антиферромагнетиках. В будущем это могло бы проложить путь для дальнейших исследований в этой области, потенциально расширив нынешние горизонты как для физических исследований, так и для развития технологий.

«Поскольку фиктивное магнитное поле играет ту же роль, что и намагниченность, ожидается, что некомпланарные антиферромагнетики будут иметь те же функциональные реакции, что и ферромагнетики», — добавил Секи. «Предсказывается, что в таких системах фиктивное магнитное поле будет вызывать не только топологический эффект Холла, но и различные экзотические явления, такие как топологический магнитооптический эффект и топологический эффект Нернста, амплитуда которых может быть сравнима или даже больше, чем у типичных ферромагнетиков и нашей следующей целью будет экспериментальная демонстрация последнего явления».