Kontrolle chiraler Orbitalströme in einem kolossalen Magnetowiderstandsmaterial

Nature Band 611, Seiten 467–472 (2022)Diesen Artikel zitieren

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Der kolossale Magnetowiderstand (CMR) ist eine außergewöhnliche Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit in Gegenwart eines Magnetfelds. Sie ist üblicherweise mit einer feldinduzierten Spinpolarisation verbunden, die die Spinstreuung und den elektrischen Widerstand drastisch reduziert. Ferrimagnetisches Mn3Si2Te6 ist eine interessante Ausnahme von dieser Regel: Es zeigt eine Verringerung des ab-Ebenen-Widerstands um sieben Größenordnungen, die nur dann auftritt, wenn eine magnetische Polarisation vermieden wird1,2. Hier berichten wir über einen exotischen Quantenzustand, der durch chirale Orbitalströme (COC) in der ab-Ebene angetrieben wird, die entlang der Kanten von MnTe6-Oktaedern fließen. Die Umlaufmomente der c-Achse des COC der ab-Ebene koppeln an die ferrimagnetischen Mn-Spins, um die Leitfähigkeit der ab-Ebene (CMR) drastisch zu erhöhen, wenn ein externes Magnetfeld entlang der magnetischen harten c-Achse ausgerichtet ist. Folglich ist COC-gesteuertes CMR sehr anfällig für kleine Gleichströme, die einen kritischen Schwellenwert überschreiten, und kann ein zeitabhängiges, bistabiles Schalten induzieren, das einen „Schmelzübergang“ erster Ordnung nachahmt, der ein Kennzeichen des COC-Zustands ist. Die nachgewiesene Stromkontrolle von COC-gestütztem CMR bietet ein neues Paradigma für Quantentechnologien.

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GC dankt M. Lee, R. Nandkishore, X. Chen, M. Hermele, D. Singh, D. Reznik, D. Dessau und N. Clark für nützliche Diskussionen. IK dankt E. Berg, M. Mourigal, B. Uchoa, C. Varma und Z. Wang für nützliche Diskussionen. Diese Arbeit wird von der National Science Foundation durch Zuschüsse Nr. unterstützt. DMR 1903888 und DMR 2204811. Der theoretische Teil dieser Arbeit wird teilweise am Aspen Center for Physics durchgeführt, das durch das Stipendium PHY-1607611 der National Science Foundation unterstützt wird. Die Arbeit an der Spallations-Neutronenquelle im Oak Ridge Natinoal Laboratory wird von der Scientific User Facilities Division, Office of Basic Energy Sciences, US-Energieministerium gesponsert.

Fachbereich Physik, University of Colorado in Boulder, Boulder, CO, USA

Yu Zhang, Yifei Ni, Hengdi Zhao und Gang Cao

Fakultät für Physik, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA

Sami Hakani & Itamar Kimchi

Abteilung für Neutronenstreuung, Oak Ridge National Lab, Oak Ridge, TN, USA

Feng Ye

Institut für Physik und Astronomie, University of Kentucky, Lexington, KY, USA

Lance DeLong

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YZ führte Messungen der physikalischen Eigenschaften und Datenanalysen durch; YN züchtete die Einkristalle, charakterisierte die Kristallstruktur der Kristalle, maß die Magnetisierung bei angelegten Strömen und trug zur Datenanalyse bei; HZ führte Messungen der Kristall- und physikalischen Eigenschaften einschließlich der Magnetostriktion und der Datenanalyse durch; FY bestimmte die magnetische Struktur von Mn3Si2Te6 mittels Neutronenbeugung und trug zur Datenanalyse bei; SH trug zur theoretischen Analyse bei, einschließlich detaillierter Konfigurationen chiraler Orbitalströme, die in den Abbildungen dargestellt sind; LD trug zur Datenanalyse und zum Verfassen von Papieren bei; IK schlug das theoretische Argument vor, gestaltete die theoretische Diskussion und trug zum Verfassen des Aufsatzes bei; GC hat diese Arbeit initiiert und geleitet, die Daten analysiert, die Zahlen erstellt und die Arbeit verfasst.

Korrespondenz mit Itamar Kimchi oder Gang Cao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt Lan Wang, Victor Yakovenko und Meng Wang für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

a, Die Temperaturabhängigkeit des a-Achsen-Widerstands ρa bei niedrigen Temperaturen (Daten in Braun) und ln (ρa) gegenüber T−1 (Daten in Blau). Beachten Sie, dass ρa bei niedrigen Temperaturen keinem Aktivierungsgesetz und/oder einem einfachen Potenzgesetz folgt. b, c, Die Magnetfeldabhängigkeit des a-Achsen-Magnetowiderstandsverhältnisses definiert durch ρa(H)/ρa(0) (b) und der leichten a-Achsen-Magnetisierung Ma (c) für Mn3(Si1-xGex)2Te6 (red ), Mn3Si2(Te1-ySey)6 (blau) bzw. undotierte Verbindung (schwarz). Einschub in b: schematische Darstellung der Ausdehnung und Kontraktion der Elementarzelle aufgrund von Ge-Dotierung (rot) bzw. Se-Dotierung (blau).

a, Vergleich der IV-Kennlinie bei H || eine Achse und H || c-Achse: die a-Achsen-IV-Charakteristik bei 10 K für H = 0 (rot), μoH = 14 T entlang der a-Achse (grün) und der c-Achse (blau). Beachten Sie, dass das Regime mit ΔV/ΔI = 0 nur auftritt, wenn H || c-Achse. b, Die IV-Charakteristik bei μoH||c = 14 T für verschiedene Temperaturen. Beachten Sie, dass das Regime ΔV/ΔI = 0 bis zu 70 K bestehen bleibt. c, Die IV-Charakteristik bei I || c-Achse für verschiedene Temperaturen. Beachten Sie, dass die IV-Charakteristik qualitativ der für I || ähnelt eine Achse, aber das Schalten erster Ordnung bei IC ist schwächer.

a, Zeitabhängiges bistabiles Schalten bei 10 K nach Ablauf von 1.800 s. b, Zeitabhängiges bistabiles Schalten bei 50 K und μoH||c = 14 T. c, d, Zeitabhängiges bistabiles Schalten für I || c-Achse bei 10 K für H = 0 (c) und μoH = 14 T (d).

a: Drei unabhängige Ströme (orange, violett und himmelblau) verlaufen entlang der Te-Te-Bindungen in der Mn1-Ebene und sind eine symmetrieerlaubte magnetische Raumgruppe. b: Drei weitere unabhängige Ströme (Cyan, Magenta und Gelb) verlaufen entlang der Te-Te-Bindungen in der Mn2-Ebene. Diese Ströme sind nicht linear unabhängig vom COC von Abb. 4g im Haupttext. Die Summe des orangefarbenen, violetten und himmelblauen COC in a ergibt die Differenz des roten und blauen COC in Abb. 4g im Haupttext. Darüber hinaus ergibt die Summe des Cyan-, Magenta- und Gelb-COC in b die Differenz des blauen und zweimal violetten COC von Abb. 4g. Bindungen mit zwei gleichfarbigen Pfeilen zeigen an, dass sich die Stromstärke an dieser Kante verdoppelt. Insgesamt wird der COC-Zustand durch acht unabhängige Schleifenströme parametrisiert.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, Y., Ni, Y., Zhao, H. et al. Kontrolle chiraler Orbitalströme in einem kolossalen Magnetowiderstandsmaterial. Natur 611, 467–472 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05262-3

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Eingegangen: 08. Juni 2022

Angenommen: 22. August 2022

Veröffentlicht: 12. Oktober 2022

Ausgabedatum: 17. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05262-3

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