中国科学院物理研究所刘恩克研究团队在拓扑材料大线性正磁电阻机制方面取得进展
2024/04/18
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图 贝利曲率主导线性正磁电阻物理图像以及实验数据与理论方程的拟合
在国家自然科学基金项目（批准号：52088101、11974394、12174426、11874359）等资助下，中国科学院物理研究所刘恩克研究团队在拓扑材料的大线性正磁电阻的内禀机制方面取得进展。相关成果以“贝利曲率磁单极子主导的大线性正磁电阻规律（Scaling of Berry-curvature monopole dominated large linear positive magnetoresistance）”为题发表在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）上。论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2208505119。
近十年来，拓扑材料展现出丰富的拓扑量子现象，为人们带来了新奇的电子态和量子输运行为，拓宽了人们对凝聚态物理电子行为的认识。目前，对拓扑材料中大贝利曲率引起的物理行为研究主要集中在手性异常现象和横向反常输运现象上。同时，在诸多拓扑材料中也普遍观测到了大的线性正磁电阻现象，而关于这一现象的解释却众说纷纭，提出的相关理论模型也一直缺乏实验证据。
刘恩克研究团队致力于新兴的磁性拓扑新材料、器件与物理的研究，在磁性拓扑领域积累了系列引领性成果。最近，该团队与合作者一起，生长并研究了磁性外尔半金属CoS2的高质量单晶，观测到了磁性拓扑材料中最大的线性正磁电阻现象。他们进一步基于贝利曲率修正的布洛赫电子运动方程，实现了贝利曲率驱动的线性正磁电阻的模型建立。进而，基于三维外尔点磁单极模型的哈密度量和贝利曲率公式，得到了反常霍尔电导率和线性正磁电阻随温度变化的模型方程组。该方程组可以很好地拟合当前已报道的所有拓扑材料中大反常霍尔电导率和大线性正磁电阻的实验数据，表明理论模型可以成功描述CoS2及其它拓扑材料纵向和横向输运行为，在实验上给出了贝利曲率驱动线性正磁电阻的证据（图）。
本研究确立了拓扑材料线性正磁电阻的贝利曲率机制，清晰、明确地指出拓扑材料的线性正磁电阻是实空间外磁场与动量空间赝磁场的联合作用。研究所提的模型解决了当前拓扑材料在线性正磁电阻方面普遍面临的机制问题，可以普适地理解拓扑材料的电阻态对外磁场的线性响应行为。更重要地，该模型可用于寻找和设计大线性正磁电阻材料，为强磁场探测技术提供核心传感材料。
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