在Kagomé结构的ZrFe?铁磁体中观察到了较大的室温异常霍尔效应和纳尔斯特效应

《Materials Today Physics》：Large room temperature anomalous Hall and Nernst effects in Kagomé ZrFe 2 ferromagnet

本研究合成具有Kagomé晶格结构的ZrFe?多晶材料，通过系统电学、热学和热电输运测量结合第一性原理计算，发现其在室温下表现出显著的异常霍尔电导（382.4 Ω?1cm?1）和异常奈斯特电导（2.1 A m?1K?1），归因于费米能级附近的伯里曲率累积。

　　近年来，具有凯戈mé晶格结构的金属材料在研究几何 frustration（ frustration 指的是由于晶格结构的限制导致的磁序无法达到完全有序的状态）和量子拓扑现象方面取得了重要进展，成为了一个独特的平台。在当前的研究中，我们合成了具有凯戈mé晶格结构的多晶 ZrFe? 样品，通过全面的电学、热学和热电性能测量，并结合第一性原理计算，对异常霍尔效应和异常奈耳效应进行了系统研究。研究发现，ZrFe? 是一种铁磁体，其居里温度约为 623 K，并且在 [111] 方向和等效平面中展现出二维凯戈mé结构。令人惊讶的是，在室温（300 K）下，我们获得了较大的异常霍尔电导率（AHC，约 382.4 Ω?1 cm?1）和异常奈耳电导率（ANC，约 2.1 A m?1 K?1）。理论分析表明，这些显著的输运特性主要来源于内在的 Berry 曲率（BC）机制。第一性原理计算进一步显示，在费米能级附近存在显著的 BC 积累，为增强 AHC 和 ANC 的来源提供了基本的理论依据。这些发现不仅拓展了在大异常霍尔和奈耳效应方面材料探索的视野，还突出了 ZrFe? 作为霍尔效应器件和热电应用的潜在候选材料，特别是在其稳健的磁性和凯戈mé晶格结构的拓扑特性方面。

凯戈mé金属因其几何 frustration 的凯戈mé子晶格而成为研究新兴拓扑量子态的典范平台，包括量子自旋液体和量子霍尔态。凯戈mé晶格由角共享的三角形组成，展现了在量子物理中首次提出的典型二维几何 frustration 系统，这一概念与东亚传统竹篮编织图案相呼应。从电子结构的角度来看，基于凯戈mé晶格的紧束缚模型预测了独特的特征，包括由拓扑保护产生的平坦带和对称保护的狄拉克点。这些狄拉克点表现出与六边形石墨烯晶格中观察到的类似行为，但具有不同的对称特性。尽管这些特征尚未在实验中被观察到，但理论研究一直持续，并促成了多个进一步的预测。特别关注的是在时间反转对称被铁磁性破坏的凯戈mé网络，这种机制导致了自旋简并狄拉克带的分裂。因此，凯戈mé晶格已经成为研究凝聚态物理中奇特拓扑态的基本模型系统。

异常霍尔效应（AHE）的发现已有近 140 年的历史。AHE 是一种重要的电输运现象，其中电子可以在无外加磁场的情况下实现横向运动。AHE 在具有时间反转对称被破坏的固体中出现，通常在铁磁（FM）相中，是由于自旋轨道耦合（SOC）引起的。大量的理论和实验研究已经证实，AHE 表现为两种不同的机制：一种是外在机制，主要由斜散射和侧跳过程主导；另一种是内在机制，来源于动量空间中的 Berry 曲率（BC）。当 BC 由拓扑保护的带在拓扑材料中产生时，赋予的 AHE 具有更强的抗缺陷和热扰动能力，且稳定性更高，这更有利于器件应用。

异常奈耳效应（ANE）则是一种在热电领域中与 AHE 类似的现象，它能够产生一个垂直于施加温度梯度和自发磁化方向的横向电电压。与已经确立的 Seebeck 效应相比，ANE 在理论和实验研究中受到了相对较少的关注，尽管其在自旋热电子学（spin caloritronics）中具有基础的重要性。奈耳效应的横向性质，加上其对温度梯度的直接依赖，而非绝对温度差，使基于奈耳效应的器件在能量转换效率方面具有独特的优势。特别是对于具有相同热电性能指标（zT）的材料，奈耳器件表现出优于 Seebeck 器件的性能。这种增强的效率来源于奈耳系数与铁磁系统中熵输运之间的基本热力学关系。此外，奈耳电压表现出对 Ettingshausen 效应的显著抗性，后者描述了由施加电场引起的横向热流。这与 Seebeck 电压形成对比，后者可能会受到 Peltier 效应引起的热流显著影响。这些内在优势，结合器件结构上的几何灵活性，使得基于 ANE 的热电转换模块在需要高空间分辨率和设计多样性的应用中特别有吸引力。

具有 AB? 型莱夫斯相的化合物在晶体结构上可以表现出三种不同的变体：立方 C15（MgCu? 型）、六方 C14（MgZn? 型）和 C36（MgNi? 型）。在这三种结构中，具有立方 C15 莱夫斯相的金属间化合物因其独特的多功能性质而引起了越来越多的关注。在这些化合物中，ZrFe? 是一种经典的铁磁体，其居里温度为 630 K，该材料最早由 Kai 等人在 1968 年发现，表现出多样的磁性和电学特性。同时，ZrFe? 在高压氢储存方面也展现出良好的性能，其在 293 K 时的吸收/解吸平台压力高达 69.9 MPa。此外，它还被认为是零热膨胀应用的候选材料。最近，Xing 等人通过磁性掺杂在具有凯戈mé结构的立方金属间化合物（Zr, Nb）Fe? 中实现了可调的热膨胀性能。

在本研究中，我们报告了对一种具有凯戈mé晶格结构的铁磁 ZrFe? 金属的全面电、热和热电性能研究。该合金在 300 K 时表现出显著的异常横向响应，其异常霍尔电阻值达到约 1.2 μΩ cm，低于此温度时其行为符合与温度相关的标度关系。通过实验和理论分析，我们提取出在 300 K 时的内在 AHC 值约为 382.4 Ω?1 cm?1，以及 ANC 值约为 2.1 A m?1 K?1。同样，我们观察到在较高温度下，ZrFe? 的热电性能表现出显著的增强。这些结果不仅丰富了具有几何 frustration 晶格的磁性拓扑材料家族，还突出了 ZrFe? 在高温热电发电机和超高灵敏度热流传感器方面的应用潜力，特别是在其热稳定性、环境友好性和成本效益方面。