ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ НОРМАЛЬНОГО И АНОМАЛЬНОГО ЭФФЕКТОВ ХОЛЛА В ФЕРРОМАГНИТНЫХ СПЛАВАХ ГЕЙСЛЕРА Ni5oMn35ln15-*SL ПРИ МАРТЕНСИТНОМ ПРЕВРАЩЕНИИ
А. Б. Грановский"*, В. Н. Прудников", А. П. Казаков", А. П. Жуковь>€, И. С. Дубенкоd
" Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова 119991, Москва, Россия
ьIkerbasque, Basque Foundation for Science 48011. Bilbao, Spain
€Faculty of Chemistry, Basque Country University 20080, San Sebastian, Spain
d Department of Physics, Southern Illinois University 62901, Carbondale, IL, USA
Поступила в редакцию 24 февраля 2012 г.
При Т = 80-320 К исследованы намагниченность, сопротивление, магнитосопротивление и сопротивление Холла сплавов Гейслера N¡-,0Мпз.-, 1п1.-)_3!с х = 1.0, 3.0, 4.0, для которых мартенситное превращение происходит при Т = 220-250 К из высокотемпературной ферромагнитной аустенитной фазы в низкотемпературную мартенситную фазу с существенно меньшей намагниченностью. Предложен метод определения коэффициентов нормального и аномального эффектов Холла при наличии магнитосопротивления и возможной зависимости этих коэффициентов от намагниченности. Получено, что сопротивление образцов скачкообразно увеличивается при мартенситном переходе, в мартенситной фазе достигает значения 150-200 мкОм-см и практически не зависит от температуры. Коэффициент нормального эффекта Холла отрицателен, при Т = 80 К на порядок больше чем у никеля, монотонно уменьшается при повышении температуры, приближаясь к нулевому значению в аустенитной фазе, не испытывая резких изменений в окрестности мартенситного превращения. При х = 3 в непосредственной окрестности мартенситного перехода обнаружен нелинейный по намагниченности нормальный эффект Холла. Температурная зависимость коэффициента аномального эффекта Холла как в мартенситной, так и в аустенитной фазе и особенно в окрестности мартенситного превращения не может быть описана в рамках механизмов асимметричного рассеяния, бокового смещения и механизма Карплюса-Латтинжера теории аномального эффекта Холла. Обсуждаются возможные причины такого поведения магнитотранспортных свойств в сплавах Гейслера.
1. ВВЕДЕНИЕ
Аномальный эффект Холла (АЭХ) в ферромагнетиках по праву считается одним из центральных среди магнитотранспортных явлений [1 3]. В последние годы интерес к этому явлению непрерывно возрастает [3 6]. Это связано как с интенсивными исследованиями перспективного для спинтрони-ки спинового эффекта Холла, имеющего с АЭХ общую природу и механизмы, так и с попытками пе-
Е-таП: ягапоу'йтаяп.ш
реосмыслепия теории АЭХ [3] в новых терминах и с использованием новых теоретических схем. Однако, несмотря на более чем 130-летнюю историю изучения АЭХ, большинство вопросов относительно доминирующих механизмов АЭХ остается дискуссионным [3], особенно в случае высокорезистив-ных и неоднородных сплавов. В данной работе предпринята попытка определения коэффициента АЭХ в высокорезистивных сплавах Гейслера N1 Мп 1п Бь испытывающих магпитоструктурный фазовый переход из высокотемпературной ферромагнитной аусте-
нитной фазы в низкотемпературную ферромагнитную мартенситную фазу, и показано, что современные теории АЭХ не описывают обнаруженные закономерности.
В разд. 2 дан краткий обзор механизмов АЭХ. Необходимость такого введения связана с тем, что авторам последних обзоров по теории АЭХ [3 6] остались незаслуженно неизвестны работы российских ученых, и с тем, что авторам настоящей работы трудно согласиться с рядом высказанных в этих обзорах утверждений. В конце разд. 2 анализируются имеющиеся разрозненные немногочисленные данные об АЭХ в сплавах Гейслера и мотивируется выбор образцов. В разд. 3 описана методика эксперимента и предложен метод определения коэффициентов нормального эффекта Холла (НЭХ) и коэффициента АЭХ, когда эти коэффициенты зависят от намагниченности либо за счет магнитосопротивле-ния, либо за счет изменения электронной структуры при намагничивании. В разд. 4 приводятся результаты исследования структурных и магнитных свойств, сопротивления, магнптосопротивленпя, сопротивления Холла и коэффициентов НЭХ и АЭХ в сплавах N1 Мп 1п и их анализ.
2. МЕХАНИЗМЫ АЭХ
Сопротивление Холла в ферромагнетиках рн обычно представляется в виде суммы двух членов:
рн = Н0В-_+4ттНйМ,, (1)
где первый описывает нормальный эффект Холла (НЭХ), обусловленный действием силы Лоренца, а второй характеризует аномальный эффект Холла (АЭХ), связанный с действием спин-орбитального взаимодействия (СОВ), М- компонента намагниченности вдоль оси г, В- компонента магнитной индукции,
в, = Н,+4пА1,(1-Щ, (2)
где 0 < Лг < 1 размагничивающий фактор образца, а До и В- называют константами НЭХ и АЭХ. По определению (1)
_ аху(М-) ^ УхуШ-) 2 ~ 4пМ,(*хх + *ху)* * 4тгМ, Р '
Д _ Уху(В-) ^ Уху(В-) 2
° В.{охх + аху)2 ~ В-
где <?ху недиагональная проводимость, как правило, много меньшая диагональной проводимости сгхх,
а р = \/сгхх сопротивление. Подчеркнем, что НЭХ пропорционален магнитной индукции, а не, как указано в работе [3], напряженности магнитного поля, и поэтому и НЭХ может зависеть от намагниченности, если N < 1. Как показал Хирш [7], линейное по намагниченности второе слагаемое в (1) может быть не связанным с СОВ, а иметь в зонных магнетиках электродинамическую природу. При механизме Хир-ша коэффициент АЭХ меньше или одного порядка с коэффициентом НЭХ, что не соответствует эксперименту, и поэтому этот механизм обычно не принимается во внимание. Мы будем называть «АЭХ» только эффект, связанный с действием СОВ.
В настоящее время рассматриваются три конкурирующих механизма АЭХ: механизм Карплю-са Латтиижера (КЛ), асимметричное рассеяние (skew scattering) и механизм бокового смещения (side jump). Механизм КЛ был предложен в первой работе по теории АЭХ в 1954 г. [8], т.е. спустя 74 года после обнаружения эффекта. Карплюс и Латтпнжер показали, что в идеальной периодической решетке при наличии периодического собственного СОВ (взаимодействие спина электрона со своим же орбитальным движением) возникает линейная по СОВ поправка к скорости, которая приводит к тому, что аху{М) не зависит ни от концентрации примесей, ни от вида и величины потенциала рассеяния V, и поэтому в силу (3) для любых ферромагнетиков и при любых температурах (стху)кь ос а®г
(Вя)кь = Ар2. (4)
Впоследствии, для того чтобы подчеркнуть, что при этом механизме рассеяние не играет роли (как и в механизме Хирша), этот механизм стали называть собственным (intrinsic) АЭХ. Механизм бер-ри-фазы, сначала позиционируемый как новый механизм АЭХ, полностью тождествен механизму КЛ, просто конечные формулы формулируются в терминах берри-фазы и кривизны Берри [3].
Поскольку в работе [8] не учитывалось рассеяние, этот механизм был подвергнут обоснованной критике Смитом [9], который считал, что вклад механизма КЛ должен полностью компенсироваться другими членами в решениях кинетического уравнения при учете рассеяния. Смит предложил механизм асимметричного рассеяния, который состоит в том, что при наличии СОВ, собственного или несобственного (взаимодействие спина электрона с орбитальным движением другого электрона), периодического или непериодического [2], вероятность рассеяния электрона налево или направо (по оси у) от его
направления движения (по оси х) становится зависящей от направления спина (вдоль оси г) электрона. При рассеянии на примесях и Т = 0, если концентрация примесей мала (с •С 1) и рассеяние на них слабое, т.е. V/Ер -С 1, этот механизм приводит в низших порядках по концентрации примесей к зависимости
(Д,)8Г = аро + (5)
где ро остаточное сопротивление (ро ~ (')■, а второй член меньше первого и имеет противоположный знак. При сильном рассеянии V/ Ер < 1 и, если концентрация примесей не очень мала, оба члена в (5) могут быть одного порядка величины и одного знака [2,4 6]. В концентрированных сплавах зависимость (5) не имеет места [2,10], и при слабом рассеянии (Ня)яс меняет знак в области средних концентраций [10].
При анализе рассеяния спин-поляризованных носителей тока на примеси Латтипжер [11], выполнивший наиболее полный и последовательный расчет остаточного АЭХ при рассеянии на примесях в случае слабого рассеяния и периодического СОВ, и Смит [9] нашли еще один механизм, который Верже [12] на основе выполненных им расчетов рассеяния волнового пакета на примеси интерпретировал как механизм бокового смещения, т.е. как скачкообразное смещение траектории движения электрона при рассеянии на примеси. Формально этот механизм, так же как механизм КЛ, не зависит ни от величины потенциала рассеяния, ни от типа рассеяния (примесь, фонон, магнон и т.д.), и он должен также приводить к зависимости
(ЯйГ=Вр2. (6)
Поэтому в ранних работах вообще не разделялись механизм КЛ и механизм бокового смещения. Латтипжер показал, что в соответствии с аргументами Смита [9], коэффициенты А и В в (4) и (6) одного порядка величины и противоположны по знаку. Однако полного сокращения не происходит даже для простой, рассмотренной в [11] модели.
Здесь уместно сделать ряд замечаний. В низшем порядке по параметру V/ Ер -С 1 и малой концентрации примесей при Т = 0 имеет место только механизм асимметричного рассеяния. Поэтому при малой концентрации примесей должна, согласно (5), иметь место линейная зависимость коэффициента АЭХ от остаточного сопротивления р0 ферромагнетика, что и наблюдается для всех без исключения сплавов [2,3,10]. По мере повышения концентрации примесей и потенциала рассеяния возникает
конкуренция механизмов АЭХ. При этом закономерно линейная зависимость коэффициента АЭХ от сопротивления изменяется на линейно-квадратичную. При этом все три механизма могут дать одинаковую квадратичную зависимость, причем в одном и том же порядке по потенциалу рассеяния. И эти вклады неразделимы по зависимости от сопротивления. На-гаоса и др. [3] предлагают квадратичный по сопротивлению член за счет асимметричного рассеяния считать «спрятанным под зонтиком» механизма бокового смещения, т. е. вообще не рассматривать, с чем нельзя согласиться по исходному определению асимметричного рассеяния. Некоторые авторы (см., напри
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.