LnSb/LnBi极大磁阻材料的磁输运及拓扑特性研究

The extreme magnetoresistance (XMR) has been recently found in nonmagnetic materials which may be topologically nontrivial materials or just normal metals with high mobility and electron/hole carrier compensations. The value of XMR is up to 10000%-10000000%, much higher than the value of GMR in multilayer films or CMR in manganite with perovskite structure. The typical signatures in XMR materials are: extremely large magnetoresistance, metal-insulator-like transition and resistivity plateau at low temperatures. It deserves further study on the exploration of new materials, single crystal growth and topological characteristics identification. Based on our previous work on TaAs2/NbAs2, YSb/TmSb, and BaMnBi2/BaZnBi2/YbMnSb2, etc., this project focuses on the systematic crystal growth and magnetotransport studies in LnSb/LnBi (Ln: Lanthanide) , to further understand the relationship between SOC, topological characteristics, magnetic order, strong correlation and the origin of resistivity plateau, revealing the mechanism of XMR and find more materials with such novel properties.

近期非磁性材料中发现的极大磁阻（XMR）效应，多见于非平庸拓扑材料体系或具有高迁移率、电子/空穴载流子补偿的金属体系，其磁输运行为呈现高达百分之几万至几千万的磁阻和低温电阻率平台等。XMR新材料探索、晶体生长以及拓扑特性研究尚处于初始阶段，对XMR机制的认识目前国际上尚存在争论。本项目拟开展具有NaCl结构铋、锑基镧系稀土XMR材料的晶体生长和磁输运测试。由于镧系稀土离子的不同，这些材料既有满壳层离子形成的非磁性体系，又有磁性离子形成的反铁磁体，还有磁性离子在晶场影响下呈现的顺磁体，其自旋轨道耦合强度、磁有序以及强关联相互作用互相影响，导致不同的拓扑特性。申请人计划合成系列LnSb/LnBi材料，开展磁输运测量和分析，结合第一性原理计算及角分辨光电子谱对材料的XMR和拓扑特性一一对应，总结其与拓扑特性、自旋轨道耦合强度、载流子浓度之间的关系，深入理解XMR物理机制、发现更多XMR新材料。

本项目按照申请书研究计划开展了相关研究工作，基本完成项目计划主要内容。具体合成并系统研究了11结构锑、铋化物LnSb、LnBi的单晶生长和磁输运物性研究，生长了一系列单晶并对其可能的拓扑输运物性开展了深入研究。部分结果已经于SCI期刊发表，部分结果以研究生论文系统报道的形式呈现。基于此项目资助我们同步开展了其他一些该领域近期关注材料的单晶制备与磁输运物性研究，尤其是在新型手性费米子半金属材料上开展了系列工作。随着拓扑物性研究领域数据库的建立，大量新型拓扑材料被预言并不断被合成和验证，基于本领域研究进展我们调整和拓展了材料研究体系，具体开展了成体系RhSn/CoSi/PtGa/PdGa、CaAl4/BaGa4/BaIn4、MnBi2Te4/MnBi4Te7/MnBi6Te10/MnBi8Te13、BaAgAs家族以及BaGa2、EuB6、BaMg2Bi2、HfTe2等晶体的生长和拓扑物性研究，取得了很好的进展。这些工作对理解和推动拓扑领域材料合成与磁输运相关研究均起到了积极作用。