卡戈梅铁磁体Mn?.?Ga?.??Sn?.??单晶的磁性和电输运特性

《Journal of Alloys and Compounds》：Magnetic and electrical transport properties of kagome ferromagnet Mn 4.2Ga 2.47Sn 0.33 single crystal

Mn4.2Ga2.47Sn0.33单晶为六方Fe6.5Ge4型Kagome结构，显示365 K附近的铁磁-顺磁相变及显著磁各向异性。磁阻实验表明低温（<60 K）正磁阻，高温（>60 K）负磁阻，且磁阻在5倍居里温度内线性无饱和。异常霍尔电导率达140 Ω?1·cm?1（5 K，c轴），主要归因于杂质原子非对称散射（skew scattering）。研究揭示了Kagome铁磁体中杂质散射主导的异常霍尔效应机制，为拓扑量子材料应用提供新体系。

　　近年来，随着量子材料研究的不断深入，基于锰（Mn）的二维锯齿状晶格结构材料因其独特的拓扑电子结构和显著的电磁输运特性而受到广泛关注。这类材料在物理研究中扮演着重要角色，不仅为探索量子拓扑态提供了理想平台，也展示了在新型电子秩序及其相关效应研究中的潜力。其中，基于锯齿状晶格的锰基磁性材料，如Mn?Sn、Mn?Ge和Mn?Ga等，因其在异常霍尔效应（AHE）方面的突出表现，成为当前研究的热点。此外，稀土-过渡金属间金属化合物RMn?Sn?（R = Sc, Y, Gd-Lu）则因其特殊的磁结构和物理性质，在拓扑霍尔效应（THE）和异常能斯特效应（ANE）方面展现出重要的应用前景。

在这一背景下，研究人员发现了一种新的锰基锯齿状晶格材料Mn?.?Ga?.??Sn?.??，并对其磁性和电输运特性进行了系统研究。该材料具有与Mn?Ga?Sn相同的六方结构，但其结构参数和磁性能显示出一些显著差异。Mn?.?Ga?.??Sn?.??的晶体结构通过X射线粉末衍射（XRD）和中子衍射技术进行了分析，确认其属于Fe?.?Ge?型六方结构（空间群P6?/mmc），并且其晶格参数比Mn?Ga?Sn略小。这表明，该材料中的锡（Sn）含量较低，导致Mn原子之间的间距缩短，从而增强了磁相互作用。

在磁性方面，Mn?.?Ga?.??Sn?.??表现出显著的磁各向异性。实验测量显示，其在居里温度（Tc）附近发生顺磁-铁磁相变，且在Tc以下，其磁化方向更倾向于沿着c轴，即易磁化轴。这种磁各向异性不仅体现在磁化强度的大小差异上，还体现在磁阻（MR）的行为上。在低温下，该材料的磁阻表现为正向变化，而在高于60K时，磁阻则转变为负向。这种磁阻的转变可能是由于磁化方向的变化和电子-磁子散射行为的改变所致。值得注意的是，该材料在低温下的磁阻几乎呈线性增长，且在5T的磁场下仍未出现饱和现象，这表明其具有较强的磁输运特性。

此外，Mn?.?Ga?.??Sn?.??在低温下表现出显著的异常霍尔效应（AHE），其异常霍尔电导率（AHC）分别达到约98 Ω?1·cm?1和140 Ω?1·cm?1。这种异常霍尔效应的强度与磁化方向密切相关，且其机制可能主要来源于非对称散射效应，即杂质原子的散射导致的偏斜散射（skew scattering）机制。通过分析异常霍尔电阻率与纵向电阻率之间的关系，研究人员发现其符合线性比例关系，进一步支持了偏斜散射在该材料中主导AHE的观点。相比之下，内在机制（如Berry曲率效应）对AHE的贡献较小，这表明该材料在异常霍尔效应中更依赖于外部杂质的影响。

在电输运特性方面，Mn?.?Ga?.??Sn?.??的纵向电阻率在两个晶向（c轴和ab平面）均表现出随温度升高而逐渐增加的趋势，并在接近Tc时出现一个浅显的驼峰状特征。这表明，该材料在铁磁相变附近可能存在一定的结构变化或电子行为的调整。通过分析电阻率随温度的变化，研究人员还发现，其在低温下的电阻率主要由电子-电子散射引起，而高纯度的样品则可能具有较低的残余电阻率（ρ?）。然而，该材料的ρ?值相对较高，暗示其内部可能存在较多的缺陷或杂质，这可能对电输运特性产生一定影响。

在磁阻的测量中，研究人员观察到，在不同的磁场方向（ab平面和c轴）下，磁阻的行为存在差异。在ab平面方向，磁阻在低温下呈正向变化，并随着磁场的增强而线性增长，而在c轴方向，磁阻则表现出类似的行为，但其变化趋势略缓。这种现象可能与电子在磁场中的运动方式和散射机制有关，特别是与电子-磁子散射的强度变化相关。同时，磁阻在一定磁场范围内表现出拐点，这可能与磁畴结构在外部磁场作用下的旋转有关，因此在该材料中，磁阻的显著变化可能与磁结构的调整密切相关。

为了进一步揭示异常霍尔效应的起源，研究人员采用了一种基于对数关系的分析方法，将异常霍尔电阻率与纵向电阻率进行对比，并通过线性拟合验证了偏斜散射机制的主导地位。实验数据显示，该材料的异常霍尔电导率（AHC）在低温下显著高于高温，这与偏斜散射在低温下对电子散射概率的增加有关。而在高于140K的温度范围内，异常霍尔效应的行为偏离了上述比例关系，这可能意味着其他机制，如声子散射、自旋涨落或热涨落，也对异常霍尔效应产生了一定的影响。

综上所述，Mn?.?Ga?.??Sn?.??作为一种新型的锰基锯齿状晶格材料，具有独特的磁性和电输运特性。其在低温下表现出显著的异常霍尔效应，且该效应主要来源于偏斜散射机制，这为研究磁性材料中的非对称散射提供了新的视角。同时，该材料的磁各向异性以及磁阻的温度依赖性，也为其在自旋电子学领域的潜在应用提供了理论依据。未来，进一步研究该材料的微观结构和杂质分布，将有助于更深入地理解其磁性和电输运行为，并推动其在高灵敏度磁传感器、自旋轨道耦合器件等领域的应用。