ЭФФЕКТ ХОЛЛА В MnSi и Mn 1

1. Эффект Холла в MnSi и Mn1-xFexSi
В.В. Глушков, И.И. Лобанова1, С.В. Демишев
1
Московский физико-технический институт
Одним из наиболее ярких свойств экзотической спиновой структуры – решетки скирмионов,
формирующейся вблизи температуры Кюри Tc~29.1K в киральном магнетике MnSi без центра
инверсии [1], является топологический эффект Холла [2]. Дополнительный вклад в холловское
сопротивление появляется благодаря разнице фаз Берри, возникающей при движении
электронов с различным направлением спина в скирмионной решетке. Принято считать, что
амплитуда топологического эффекта Холла зависит от степени спиновой поляризации
носителей заряда, нормального коэффициента Холла и эффективного магнитного поля
скирмиона [2]. Однако, выбор адекватной теоретической модели ограничен
неоднозначностью разделения нормального и аномального вкладов в эффект Холла [3,4] и,
как следствие, отсутствием достоверной информации об эффективных параметрах
электронной структуры в спин-поляризованной и парамагнитной фазах MnSi и твердых
растворах замещения на его основе.
В работе предложен новый подход к разделению нормального (RHB) и аномального (Ha)
вкладов в эффект Холла в MnSi и Mn1-xFexSi, основанный на совместном анализе
температурных зависимостей холловского сопротивления H(T), удельного сопротивления
H(T) и намагниченности M(T) в магнитных полях до 5 Tл [5,6]. Показано, что в случае MnSi
подавление дальнего магнитного порядка инициирует переход от аномального эффекта
Холла, определяемого изменением фазы Берри (T<Tc, Ha~2M), к режиму с анизотропным
(skew scattering) рассеянием носителей заряда (T>Tc, Ha~M). Смена асимптотик аномального
эффекта Холла в MnSi сопровождается заметным уменьшением концентрации электронов
проводимости, оцененной из нормального коэффициента Холла, от n6,31022 см-3 при T<Tc до
n3.951022 см-3 при T>Tc. В случае Mn1-xFexSi при концентрации железа x*~0.115 обнаружена
инверсия знака нормального эффекта Холла, связываемая с ростом эффективной
концентрации дырок при замещении марганца железом. В работе обсуждается связь
наблюдаемых аномалий эффекта Холла со структурой магнитной фазовой диаграммы и
квантовыми критическими точками, ранее установленными из анализа магнитных и
транспортных свойств Mn1-xFexSi [7].
[1] S. Mühlbauer et al., Science 323, 915 (2009).
[2] R. Ritz et al., Nature 497, 231 (2013).
[3] A. Neubauer et al., Physica B 404, 3163 (2009).
[4] C. Franz et al., Phys. Rev. Lett. 112, 186601 (2014).
[5] V. Glushkov et al., JETP Lett. 101, 512 (2015).
[6] V. Glushkov et al., Phys. Rev. Lett. 115, 256601 (2015).
[7] S. Demishev et al., JETP Lett. 98, 829 (2013).
2. Природа квантовой критичности в твердых растворах Mn1-xFexSi
С.В.Демишев, И.И.Лобанова1, В.В.Глушков
1
Московский физико-технический институт
Исходя из анализа новых экспериментальных данных по эффекту Холла у Mn1-xFexSi для
области составов x<0.3 в рамках РККИ модели, показано, что изменение концентрации
электронов и дырок при увеличении концентрации железа x вначале приводит к уменьшению
обменного интеграла между ближайшими соседями J1, соответствующего ферромагнитному
взаимодействию (J1>0), а затем индуцирует смену знака J1 в окрестности x~0.17. При этом
обмен между соседями, следующими за ближайшими, J2, оказывается отрицательным во всей
области составов, причем в окрестности квантовых критических точек обнаруженных в этой
системе ранее [1] обменные интегралы J1 и J2 оказываются сравнимыми по абсолютной
величине. Таким образом при описании магнитной фазовой диаграммы помимо эффектов
беспорядка замещения и изменения основного обмена J1 [1] необходимо учитывать эффекты
фрустрации.
Полученные данные свидетельствуют о том, что микроскопической причиной, приводящей к
квантовому критическому поведению у Mn1-xFexSi, являются изменения характеристик
поверхности Ферми. В заключение рассматриваются следствия предложенной модели,
которые могут быть проверены, например, в экспериментах по рассеянию нейтронов или
путем исследования спектров ARPES.
1. S.V. Demishev, et al., JETP Letters, 98, 829 (2013)