Forscher beobachten einen großen anomalen Hall-Effekt, der durch eine spinfluktuierende Teufelstreppe ausgelöst wird

Eine Forschungsgruppe der Universität Tsukuba hat entdeckt, dass Schwankungen des Elektronenspins in magnetischen Materialien während des Phasenübergangs einen großen anomalen Hall-Effekt auslösen, der als magnetischer Übergang „Teufelstreppe“ bekannt ist.

Diese Entdeckung ist von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung der magneto-thermoelektrischen Umwandlung, einer umweltfreundlichen Energieerzeugungstechnologie, und könnte zur Entwicklung neuer thermoelektrischer Umwandlungsmaterialien führen. Studie ist veröffentlicht in npj Quantenmaterialien.

Hier ein paar Hintergrundinformationen: Wenn ein elektrischer Strom durch eine Metallprobe in einem Magnetfeld fließt, erfährt er die Lorentzkraft. Diese Kraft erzeugt eine Spannung senkrecht zum Magnetfeld und Strom – ein Phänomen, das als Hall-Effekt bezeichnet wird.

In magnetischen Metallen kann ein ähnliches Phänomen – der sogenannte anomale Hall-Effekt – unabhängig von einem äußeren Magnetfeld auftreten, insbesondere in ferromagnetischen Materialien, in denen die Elektronenspins ausgerichtet sind. Im Allgemeinen tritt diese Ausrichtung – und damit der anomale Hall-Effekt – nur unterhalb einer bestimmten Temperatur auf, die als magnetische Übergangstemperatur bezeichnet wird. Oberhalb dieser Temperatur geraten die Spins in Unordnung, was dazu führt, dass der anomale Hall-Effekt fast völlig verschwindet.

Obwohl der anomale Hall-Effekt theoretisch oberhalb der magnetischen Übergangstemperatur auftreten kann, wenn Spins durch ein äußeres Magnetfeld ausgerichtet werden, ist er im Allgemeinen äußerst schwach.

In dieser Studie beobachteten die Forscher einen großen anomalen Hall-Effekt bei Temperaturen oberhalb der magnetischen Übergangstemperatur im magnetischen Material SrCo6O11, das ein einzigartiges magnetisches Übergangsphänomen aufweist, das als „Spin-fluktuierende Teufelstreppe“ bekannt ist.

Besonders bemerkenswert ist, dass die Stärke des anomalen Hall-Effekts – oder des anomalen Hall-Winkels – zu den größten gehörte, die jemals für magnetische Oxide aufgezeichnet wurden. Die Forschung legt nahe, dass dieser signifikante Effekt wahrscheinlich auf die intensive Streuung von Leitungselektronen aufgrund einer bestimmten Art von Spinfluktuation zurückzuführen ist, die als Spin-Flip-Fluktuation bekannt ist.

Dieser große anomale Hall-Effekt hat erhebliche Auswirkungen auf das Prinzip der magneto-thermoelektrischen Umwandlung. Die Erkenntnisse dieser Studie liefern ein neues Prinzip für die Entwicklung von Materialien für diese Technologie, das erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung neuer thermoelektrischer Umwandlungsmaterialien haben könnte.