反常霍尔效应 （AHE）是凝聚态物理中广受关注的输运现象，其大小主要依赖于净自旋极化以及能带拓扑。然而，氧化物中的AHE幅值通常较小，反常霍尔电阻率仅在几个μΩ·cm的量级，这显著限制了其在新型电子器件中的潜在应用。
近日， 中国科学技术大学廖昭亮 团队 基于5d顺磁性半金属铱酸锶（SrIrO3）与3d铁磁绝缘体钴酸镧（LaCoO3）构筑异质界面，在5d SrIrO3中诱导出了巡游铁磁性。 随后，利用离子液体掺氢的手段来调控动量空间Berry曲率，在上述近邻铁磁体SrIrO3中观察到了 AHE的100倍增强。 不仅如此，氢的插入还对晶格以及价态产生协同调控，导致了矫顽力以及居里温度的显著提高。相关的成果近日发表在 Nano Letters 上。
图1. 氢掺杂导致的结构演化
反常霍尔效应微观上主要包括本征机制以及非本征机制，其中本征机制与动量空间的Berry曲率相关。而Berry曲率本质上来自于时间/空间反演对称性破缺的物质中具有自旋轨道耦合(SOC)的布洛赫带的缠结或交叉。因此，在具有强SOC的5d氧化物SrIrO3中有望观察到显著的AHE幅值。
图2. 氢掺杂引起的AHE增强和磁性调控
SrIrO3块材是一个电子型的Dirac半金属，当与铁磁LaCoO3构建异质界面时，界面近邻效应以及电荷转移的发生会使界面层转变成空穴型Weyl半金属。得益于离子液体掺氢技术，氢浓度能够通过栅极电压几乎准连续、大幅度的调控。氢插入等效于质子-电子共掺杂，随着其浓度增加，费米面从Weyl锥的下能带抬升到上能带。当费米面掠过Weyl点时，Berry曲率具有最大值，此时反常霍尔电阻率表现出了100倍的增强（25 K）。有趣的是，引入的电子也可以造成部分Ir3+离子的出现，这促进Ir3+/Ir4+双交换相互作用，从而导致了将SrIrO3的磁居里温度从75 K提高到了160 K。此外，质子的插入对晶格的调制导致了各项异性与磁畴钉扎的竞争，从而造成了矫顽场随栅极电压的大幅度的非单调演化。
图3. 氢掺杂操纵Berry曲率和促进双交换相互作用
中国科学技术大学博士生 刘均华 和 高小飞 为本文的共同第一作者，中国科学技术大学 廖昭亮 教授、 陈凯 研究员、 甘渝林 副研究员为本文的通讯作者。本工作得到了中科院稳态强磁场科学中心以及德国柏林亥姆霍兹中心BESSY II光源的VEKMAG线站的机时支持。本研究得到了科技部重点研发、国家自然科学基金等项目的资助。
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
