笼目六角反铁磁Mn3Ga单晶室温大反常霍尔效应

日期： 2024-04-22

浏览次数: 438

来源：中科院物理研究所

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。例如，开发了具有自主知识产权的宽温区跨室温斯格明子新材料体系【Adv. Mater. 28, 6887(2016)；Adv. Mater. 29, 1701144 (2017)；Nano Lett. 18, 1274 (2018)；Nano Lett. 20, 868 (2020)】，并在物性调控和器件物理研究方面取得了一系列进展【Nature 561, 91 (2018)；Adv. Mater. 32, 1904815 (2019)； ASC Nano 13, 922 (2019)；Nat. Commun. 13, 5991 (2022)】。

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（Phys. Rev. B 95, 075128 (2017).）。而经过课题组长期对Mn3Ga合金结构的研究，发现Mn3Ga多晶在富Ga的情况下可以稳定存在，并表现出交换偏置效应、拓扑霍尔效应等物理现象【J. Appl. Phys. 131, 173903 (2022)；J. Magn. Magn. Mater. 536, 168109 (2021)；Appl. Phys. Lett. 119, 152405 (2021).】。进一步，通过理论预测发现，Mn2.43Ga中Ga原子过量可以使费米能级上移，增大贝利曲率进而诱发大的反常霍尔效应。基于上述发现，通过助溶剂法，他们首次制备出了偏分的Mn3Ga单晶Mn2.4Ga（图1）,并发现了Mn2.4Ga具有明显的各向异性大反常霍尔效应（见图2）。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150 Ω-1cm-1，优于Mn3Sn和Mn3Ge（~20 Ω-1cm-1、50 Ω-1cm-1）。低温下最大可达527 Ω-1 cm-1，与理论预测结果（约530 Ω-1cm-1）相近。通过磁性测量发现，Mn2.4Ga的奈尔温度在435K，M-H曲线随磁场呈线性变化，表现出典型的反铁磁特性。该材料仅在笼目晶格面内具有微弱的磁性（0.002-0.05 μB/f.u.@10-300 K），说明反常霍尔效应并不依赖于材料磁性（见图3）。角度依赖的反常霍尔效应测量结果表明，当磁场由笼目晶格面内向面外转动时，反常霍尔电导率仅发生符号变化而数值基本不变（见图4）。进一步说明，反常霍尔效应不依赖于材料磁性而源自于非共线反铁磁结构引起的非零贝利曲率。通过与其他典型磁性材料和拓扑磁性材料对比，可以发现Mn2.4Ga的反常霍尔电导率与纵向电导率以及磁化强度-反常霍尔电导的关系均处于拓扑磁性材料区域（见图5）。

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。

相关研究内容以题名为“Large Anomalous Hall Effect at Room Temperature in a Fermi-Level-Tuned Kagome Antiferromagnet” 于2024年2月27日在线发表于《Advanced Functional Materials》杂志上，并已申请中国专利（公开号：CN 116892062 A）该项研究工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金和北京市自然科学基金的支持。

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316588

上一篇：闫冰教授团队设计基于Tb3+功能化的氢键有机框架(HOFs)杂化材料的智能多重光下一篇：“聚力两个稀土基地建设、推动稀土行业高质量发展”八省（区）稀土行业协会联席会议在

Hot News / 相关推荐

捕捉与中继：镧系系纳米颗粒中更明亮的近红外光致发光

2026 - 07 - 07

点击次数: 22

来源：X-MOL针对近红外发射鑭系纳米颗粒的设计策略解决了芯壳钝化与染料敏化之间的根本张力。通过设计Yb³⁺掺杂的夹层作为表面结合ICG与高Er³掺杂核心之间的主动能继电器，实现了约2000倍亮度增强，实现高对比度的体内血管成像。镧系摻杂纳米颗粒（LnNPs）是生物和临床前生物医学领域最常用的发光对比剂之一。发射带狭窄、优异的光稳定性、较大的伪斯托克斯位移以及较长的发光寿命是...

建立一种六氰氰酸镧系物框架文库，以设计具有增强 ROS 产能的金属酶仿模物

2026 - 07 - 06

点击次数: 41

来源：X-MOL具有独特 f 电子构型和灵活配位环境的人工鑭系金属酶在 H2O2 活化方面远不及过渡金属酶模拟器被探索。这里建立了一个全面的基于镧系的普鲁士蓝类似物（PBA）金属酶文库，在微米尺度上揭示了所有非放射性镧系元素通过元素依赖的氧活化途径，作为过氧化物酶样或盐过氧化物酶样活性。镧系收缩系统性地调节配位几何和暴露面，优先激活 H2O2 向羟基自由基或结合氧物种方向发展。主成分分析将自由基主...

通过配位几何和有机金属化学调控镧系单分子磁体

2026 - 07 - 06

点击次数: 41

来源：X-MOL单分子磁体（SMM），尤其是基于镧系离子的磁体，已成为一类具有革命性的分子纳米材料，具有在量子计算、高密度信息存储和自旋电子器件中的潜在应用。释放其全部潜力的关键在于精确工程化配体场，以控制磁各向异性和减缓磁弛豫动力学。本报告介绍了我们团队对先进配位几何调控策略和有机金属配体设计的系统研究，以优化镧系系单体型组合性能，特别关注建立清晰的磁-结构相关性及开发创新配位方法。我们设计理念...

通过能量阱进行深度学习增强的生物成像，调控镧系纳米颗粒

2026 - 07 - 03

点击次数: 117

来源：X-MOL深层组织中的高分辨率生物成像对于推动精准医疗的发展具有重要意义。目前，掺杂镧系的纳米颗粒支持体内近红外成像，但面临一个关键权衡：呃3+约1530 nm的基于发射实现高光学分辨率，但因吸水受限于组织穿透;而约980/1060 nm发射的纳米探针则能提供更高穿透和高亮度，但因短波长下组织散射较强而分辨率受损。成像深度与分辨率之间的这一根本矛盾仍是一个关键挑战。本文引入了能量阱的概念，通...