Control de corrientes orbitales quirales en un material de magnetorresistencia colosal.

Nature volumen 611, páginas 467–472 (2022)Cite este artículo

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La magnetorresistencia colosal (CMR) es una mejora extraordinaria de la conductividad eléctrica en presencia de un campo magnético. Se asocia convencionalmente con una polarización de espín inducida por un campo que reduce drásticamente la dispersión del espín y la resistencia eléctrica. El Mn3Si2Te6 ferrimagnético es una excepción intrigante a esta regla: exhibe una reducción de siete órdenes de magnitud en la resistividad del plano ab que ocurre solo cuando se evita una polarización magnética1,2. Aquí, informamos un estado cuántico exótico impulsado por corrientes orbitales quirales (COC) del plano ab que fluyen a lo largo de los bordes de los octaedros de MnTe6. Los momentos orbitales del eje c del COC del plano ab se acoplan a los espines ferrimagnéticos de Mn para aumentar drásticamente la conductividad del plano ab (CMR) cuando un campo magnético externo se alinea a lo largo del eje c duro magnético. En consecuencia, la CMR impulsada por COC es altamente susceptible a pequeñas corrientes directas que exceden un umbral crítico y puede inducir una conmutación biestable dependiente del tiempo que imita una "transición de fusión" de primer orden que es un sello distintivo del estado de COC. El control de corriente demostrado de CMR habilitado para COC ofrece un nuevo paradigma para las tecnologías cuánticas.

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Descargar referencias

GC agradece a M. Lee, R. Nandkishore, X. Chen, M. Hermele, D. Singh, D. Reznik, D. Dessau y N. Clark por sus útiles debates. IK agradece a E. Berg, M. Mourigal, B. Uchoa, C. Varma y Z. Wang por sus útiles debates. Este trabajo cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias a través de las subvenciones no. DMR 1903888 y DMR 2204811. La parte teórica de este trabajo se realiza en parte en el Centro de Física de Aspen, que cuenta con el apoyo de la subvención PHY-1607611 de la Fundación Nacional de Ciencias. El trabajo en la Fuente de Neutrones de Espalación en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge está patrocinado por la División de Instalaciones de Usuarios Científicos, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, Departamento de Energía de EE.UU.

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Yu Zhang, Yifei Ni, Hengdi Zhao y Gang Cao

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Sami Hakani e Itamar Kimchi

División de Dispersión de Neutrones, Laboratorio Nacional Oak Ridge, Oak Ridge, TN, EE. UU.

feng ye

Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Kentucky, Lexington, KY, EE. UU.

Lance De Long

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YZ realizó mediciones de las propiedades físicas y análisis de datos; YN hizo crecer los monocristales, caracterizó la estructura cristalina de los cristales, midió la magnetización con corrientes aplicadas y contribuyó al análisis de datos; HZ realizó mediciones de propiedades físicas y cristalinas, incluida la magnetoestricción y el análisis de datos; FY determinó la estructura magnética de Mn3Si2Te6 mediante difracción de neutrones y contribuyó al análisis de los datos; SH contribuyó al análisis teórico incluyendo configuraciones detalladas de las corrientes orbitales quirales presentadas en las figuras; LD contribuyó al análisis de datos y redacción del artículo; IK propuso el argumento teórico, formó la discusión teórica y contribuyó a la redacción del artículo; GC inició y dirigió este trabajo, analizó los datos, construyó las figuras y escribió el artículo.

Correspondencia a Itamar Kimchi o Gang Cao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature agradece a Lan Wang, Victor Yakovenko y Meng Wang por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores pares están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

a, La dependencia de la temperatura de la resistividad del eje a ρa a bajas temperaturas (datos en marrón) y ln (ρa) versus T-1 (datos en azul). Tenga en cuenta que ρa no sigue una ley de activación ni una ley de potencia simple a bajas temperaturas. b, c, La dependencia del campo magnético de la relación de magnetorresistencia del eje a definida por ρa(H)/ρa(0) (b) y la fácil magnetización del eje a Ma (c) para Mn3(Si1-xGex)2Te6 (rojo ), Mn3Si2(Te1-ySey)6 (azul) y compuesto sin dopar (negro), respectivamente. Inserto en b ilustración esquemática de la expansión y contracción de la celda unitaria debido al dopaje con Ge (rojo) y al dopaje con Se (azul), respectivamente.

a, Comparación de la característica IV en H || un eje y H || Eje c: la característica IV del eje a a 10 K para H = 0 (rojo), μoH = 14 T a lo largo del eje a (verde) y el eje c (azul). Tenga en cuenta que el régimen donde ΔV/ΔI = 0 surge sólo cuando H || eje c. b, La característica IV en μoH||c = 14 T para varias temperaturas. Tenga en cuenta que el régimen ΔV/ΔI = 0 persiste hasta 70 K. c, La característica IV en I || Eje c para varias temperaturas. Tenga en cuenta que la característica IV es cualitativamente similar a la de I || un eje, pero la conmutación de primer orden en IC es más débil.

a, Conmutación biestable dependiente del tiempo a 10 K con 1800 s transcurridos. b, Conmutación biestable dependiente del tiempo a 50 K y μoH||c = 14 T. c, d, Conmutación biestable dependiente del tiempo para I || Eje c a 10 K para H = 0 (c) y μoH = 14 T (d).

a, Tres corrientes independientes (naranja, violeta y cerúlea) corren a lo largo de los enlaces Te-Te en el plano Mn1 y son un grupo espacial magnético con simetría permitida. b, Tres corrientes independientes más (cian, magenta y amarilla) corren a lo largo de los enlaces Te-Te en el plano Mn2. Estas corrientes no son linealmente independientes del COC de la Fig. 4g en el texto principal. La suma de los COC naranja, morado y cerúleo en a da lugar a la diferencia de los COC rojo y azul de la Fig. 4g en el texto principal. Además, la suma del COC cian, magenta y amarillo en b da la diferencia del COC azul y dos veces violeta de la figura 4g. Los bonos con dos flechas del mismo color indican que la magnitud actual se duplica en ese borde. En total, el estado del COC está parametrizado por ocho corrientes de bucle independientes.

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Zhang, Y., Ni, Y., Zhao, H. et al. Control de corrientes orbitales quirales en un material de magnetorresistencia colosal. Naturaleza 611, 467–472 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05262-3

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Recibido: 08 de junio de 2022

Aceptado: 22 de agosto de 2022

Publicado: 12 de octubre de 2022

Fecha de emisión: 17 de noviembre de 2022

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

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