反常霍爾效應 （AHE）是凝聚態物理中廣受關註的輸運現象，其大小主要依賴於凈自旋極化以及能帶拓撲。然而，氧化物中的AHE幅值通常較小，反常霍爾電阻率僅在幾個μΩ·cm的量級，這顯著限制了其在新型電子器件中的潛在套用。
近日， 中國科學技術大學廖昭亮 團隊 基於5d順磁性半金屬銥酸鍶（SrIrO3）與3d鐵磁絕緣體鈷酸鑭（LaCoO3）構築異質界面，在5d SrIrO3中誘匯出了巡遊鐵磁性。 隨後，利用離子液體摻氫的手段來調控動量空間Berry曲率，在上述近鄰鐵磁體SrIrO3中觀察到了 AHE的100倍增強。 不僅如此，氫的插入還對晶格以及價態產生協同調控，導致了矯頑力以及居禮溫度的顯著提高。相關的成果近日發表在 Nano Letters 上。
圖1. 氫摻雜導致的結構演化
反常霍爾效應微觀上主要包括本征機制以及非本征機制，其中本征機制與動量空間的Berry曲率相關。而Berry曲率本質上來自於時間/空間反演對稱性破缺的物質中具有自旋軌域耦合(SOC)的布洛赫帶的纏結或交叉。因此，在具有強SOC的5d氧化物SrIrO3中有望觀察到顯著的AHE幅值。
圖2. 氫摻雜引起的AHE增強和磁性調控
SrIrO3塊材是一個電子型的Dirac半金屬，當與鐵磁LaCoO3構建異質界面時，界面近鄰效應以及電荷轉移的發生會使界面層轉變成電洞型Weyl半金屬。得益於離子液體摻氫技術，氫濃度能夠透過柵極電壓幾乎準連續、大振幅的調控。氫插入等效於質子-電子共摻雜，隨著其濃度增加，費米面從Weyl錐的下能帶擡升到上能帶。當費米面掠過Weyl點時，Berry曲率具有最大值，此時反常霍爾電阻率表現出了100倍的增強（25 K）。有趣的是，引入的電子也可以造成部份Ir3+離子的出現，這促進Ir3+/Ir4+雙交換交互作用，從而導致了將SrIrO3的磁居禮溫度從75 K提高到了160 K。此外，質子的插入對晶格的調變導致了各項異性與磁域釘紮的競爭，從而造成了矯頑場隨柵極電壓的大振幅的非單調演化。
圖3. 氫摻雜操縱Berry曲率和促進雙交換交互作用
中國科學技術大學博士生 劉均華 和 高小飛 為本文的共同第一作者，中國科學技術大學 廖昭亮 教授、 陳凱 研究員、 甘渝林 副研究員為本文的通訊作者。本工作得到了中科院穩態強磁場科學中心以及德國柏林亥姆霍茲中心BESSY II光源的VEKMAG線站的機時支持。本研究得到了科技部重點研發、國家自然科學基金等計畫的資助。
Hundred-Fold Enhancement in the Anomalous Hall Effect Induced by Hydrogenation
Junhua Liu, Xiaofei Gao, Ke Shi, Minjie Zhang, Jiating Wu, Victor Ukleev, Florin Radu, Yaoyao Ji, Zhixiong Deng, Long Wei, Yuhao Hong, Shilin Hu, Wen Xiao, Lin Li, Qinghua Zhang, Zhaosheng Wang, Lingfei Wang, Yulin Gan*, Kai Chen*, and Zhaoliang Liao*
Nano Lett ., 2024 , DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04368
