Grenzen überschreiten: Nachweis des anomalen Hall-Effekts ohne Magnetisierung in einer neuen Klasse von Materialien

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu und Satoru Nakatsuji von der Universität Tokio hat zusammen mit Collin Broholm von der Johns Hopkins University den anomalen Halleffekt in einem kollinearen Antiferromagneten entdeckt. Noch bemerkenswerter ist, dass der anomale Hall-Effekt in einem flüssigen Nicht-Fermi-Zustand auftritt, in dem die Elektronen nicht gemäß den herkömmlichen Modellen wechselwirken. Diese Entdeckung stellt nicht nur den Lehrbuchrahmen für die Interpretation des anomalen Hall-Effekts in Frage, sondern erweitert auch das Spektrum der für die Informationstechnologie nützlichen Antiferromagneten.
Die Grundlagenforschung trägt zur technologischen Innovation bei, indem sie unser Verständnis des Zusammenspiels zwischen Antiferromagnetismus, Bandtopologie und starken Elektronenwechselwirkungen vertieft.
Ray et al 2025
Spins sind intrinsische Eigenschaften von Elektronen, die in der Regel entweder als „oben“ oder „unten“ beschrieben werden. In Ferromagneten richten sich die Spins in dieselbe Richtung aus und magnetisieren das Material. Diese Magnetisierung kann auch ohne äußeres Magnetfeld zu einer Spannung führen, die senkrecht zum elektrischen Strom steht; dies ist der anomale Hall-Effekt. Im Gegensatz dazu sind bei Antiferromagneten die Spins in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet, so dass sich die Magnetisierung aufhebt. Daraus sollte folgen, dass der anomale Hall-Effekt in Antiferromagneten nicht auftritt. Doch er tritt auf.
„Es gab bereits frühere Berichte über das Auftreten des anomalen Hall-Effekts in einer bestimmten Klasse von kollinearen Antiferromagneten“, sagt Nakatsuji, der Leiter der Studie. „Die beobachteten Signale waren jedoch extrem schwach. Die Identifizierung eines wirklich magnetisierungsfreien anomalen Hall-Effekts war von großem wissenschaftlichem und technologischem Interesse.“
Dieses Unterfangen erforderte die Koordination verschiedener Gruppen. Fu und ihre Kollegen waren für den Versuchsaufbau zur Messung des Effekts verantwortlich. Sie verwendeten eine Materialfamilie namens Übergangsmetalldichalcogenid als zweidimensionale Bausteine. Indem sie magnetische Ionen zwischen die Atomschichten einfügten, konnten die Forscher die Bewegungen und Wechselwirkungen der Elektronen kontrollieren. Die veränderte Struktur, nun in 3D, hatte das Potenzial, neue Verhaltensweisen zu zeigen, die in 2D nicht möglich gewesen wären. Endlich konnten die Forscher Messungen des anomalen Hall-Effekts in einem breiten Temperatur- und Magnetfeldbereich durchführen. Darüber hinaus lieferte die Gruppe von Broholm mikroskopische Beweise, die die kollineare antiferromagnetische Struktur des Materials bestätigten. Die Ergebnisse wurden dann mit den theoretischen Analysen und Berechnungen der Gruppe von Ryotaro Arita an der UTokyo kombiniert.
„Eine der größten Herausforderungen in unserem Forschungsprojekt bestand darin, aus unseren Beobachtungen eine kohärente wissenschaftliche Erzählung zu erstellen“, sagt Fu, einer der Co-Leiter der Studie. „Jeder Schritt erforderte eine sorgfältige Interpretation, insbesondere aufgrund der strukturellen Unordnung, die häufig in Übergangsmetall-Dichalcogenid-Systemen zu finden ist.“
Die daraus resultierende Messung ist der erste starke experimentelle Beweis für den anomalen Hall-Effekt, der in kollinearen Antiferromagneten beobachtet wird. Da allgemein angenommen wird, dass der anomale Hall-Effekt mit der Magnetisierung einhergeht, deutet die Entdeckung darauf hin, dass etwas weit über das Standardverständnis hinaus im Spiel ist. Die Forscher vermuten, dass das Phänomen in der einzigartigen Struktur der Elektronenbänder des Materials begründet ist, die ein großes „virtuelles Magnetfeld“ verursachen und den anomalen Hall-Effekt bei fehlender Magnetisierung verstärken. Nakatsuji erläutert die nächsten Schritte.
„Wir suchen nach einer experimentellen Bestätigung für diese Hypothese und verfolgen aktiv eine Reihe von Folgestudien mit ergänzenden Techniken, einschließlich Raman-Spektroskopie, um die zugrunde liegenden Mechanismen aufzudecken.“
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Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu, Youzhe Chen, Taishi Chen, Takuya Nomoto, Shiro Sakai, Motoharu Kitatani, Motoaki Hirayama, Shusaku Imajo, Takahiro Tomita, Akito Sakai, Daisuke Nishio-Hamane, Gregory T. McCandless, Michi-To Suzuki, Zhijun Xu, Yang Zhao, Tom Fennell, Yoshimitsu Kohama, Julia Y. Chan, Ryotaro Arita, Collin Broholm, Satoru Nakatsuji; „Zero-field Hall effect emerging from a non-Fermi liquid in a collinear antiferromagnet V1/3NbS2“; Nature Communications, Volume 16, 2025-4-18
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Originalveröffentlichung
Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu, Youzhe Chen, Taishi Chen, Takuya Nomoto, Shiro Sakai, Motoharu Kitatani, Motoaki Hirayama, Shusaku Imajo, Takahiro Tomita, Akito Sakai, Daisuke Nishio-Hamane, Gregory T. McCandless, Michi-To Suzuki, Zhijun Xu, Yang Zhao, Tom Fennell, Yoshimitsu Kohama, Julia Y. Chan, Ryotaro Arita, Collin Broholm, Satoru Nakatsuji; „Zero-field Hall effect emerging from a non-Fermi liquid in a collinear antiferromagnet V1/3NbS2″; Nature Communications, Volume 16, 2025-4-18
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