超越手性异常的巨大负磁电阻 | 前沿快讯No.33
中国科学技术大学康宝蕾等在陈仙辉院士，Zhengfei Wang，吴涛教授的指导下，在非磁性的狄拉克材料YCuAs2发现了巨大的负磁电阻效应，在低温2K外磁场为9T时，负磁电阻值可以达到-40%，进一步测试表明其超出了拓扑半金属手性异常和经典的近藤效应，为基于非磁性拓扑材料的自旋电子学提供了新的途径，并且有助于进一步理解拓扑材料中的负磁电阻效应。相关研究成果以Giant Negative Magnetoresistance beyond Chiral Anomaly in Topological Material YCuAs2为题，发表于《先进材料》Advanced Materials 2022, 34, 2201597上。
巨磁电阻效应是自旋电子学发展的基石，在固体系统中引入了利用电子自旋自由度操纵电荷输运的新概念。由于磁场倾向于使电子局域在回旋轨道上，在金属中常见的是正磁阻现象。相比之下，负磁电阻一般是超出电子回旋运动的某些特殊物理现象的标志，比如近藤效应和安德森弱局域化。尽管上述经典机制引起的磁电阻只对原始的电荷传输有所影响，在磁性材料中可以观测到对实现自旋电子学器件至关重要的大的负磁电阻现象。在过去的几十年中，实现更显著的磁电阻效应，特别是具有新机制的负磁电阻效应，不仅是自旋电子学领域的中心问题之一，而且对凝聚态物理的发展也具有重要意义。
近年来，拓扑半金属中手性异常的发现提供了一种不利用磁性来产生巨大的负磁电阻效应的替代方法。在平行磁场和电流的构型中，两个手性相反的Weyl节点之间额外的“电荷泵浦”可以产生巨大的负磁电阻效应。因此，拓扑材料的兴起为探索新奇的磁输运现象提供了丰富的材料基础。
在不同的拓扑材料中，含有特征Sb或Bi四方层的112型金属间化合物被认为是具有狄拉克费米子的拓扑半金属。对于与其十分相似的As四方层材料，仅在112型铁基超导体中报道了非平庸的拓扑特性，其平面四方As层发生扭曲形成Zig-Zag锯齿链。尽管如此，最近的理论综述总结了四方层拓扑半金属的结构-物性构效关系，揭示了四方层在决定拓扑性质中的关键作用，强烈表明狄拉克色散是含有四方层的112型材料的通用能带结构。从这个角度来看，含有四方As层的YCuAs2是拓扑非平庸的122型材料的典型候选者。
本文作者中国科学技术大学康宝蕾等在陈仙辉院士，Zhengfei Wang，吴涛教授的指导下，在非磁性的狄拉克材料YCuAs2发现了巨大的负磁电阻效应，在低温2K外磁场为9T时，负磁电阻值可以达到-40%，并且不受到外加磁场方向的限制。基于磁化率和NMR测试，巨大的负磁电阻与空位诱导的局域磁矩导致的自旋依赖的散射密切相关，也超出了经典的近藤效应。其结果不仅为基于非磁性拓扑材料的自旋电子学提供了新的途径，并且有助于进一步理解拓扑材料中的负磁电阻效应。
在此工作中，YCuAs2首次被第一性原理计算证明是一种具有相当大的自旋轨道耦合的狄拉克材料。其成对的狄拉克锥及其位置与Na3Bi和Cd3As2非常相似，使得很有可能出现手性异常引起的负磁电阻效应。
图1 晶体结构与能带。
实验中，观测到了巨大的负磁电阻效应，在低温2K外磁场为9T时，负磁电阻之可以达到-40%，但不依赖于磁场相对于电流的方向，排除了手性异常的可能性。
图2 负磁电阻效应。
通过观测磁化率的居里-外斯行为和核磁共振布伦伯根-珀塞尔磅类似行为，揭示了在这个材料中可能存在一定的Cu空位，导致了一定数量的局域磁矩，对负磁阻现象发挥了至关重要的作用。
图3 核磁共振测量。
原文连接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.202201597
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