Аномальный эффект Холла (АЭХ) представляет собой особый случай классического эффекта Холла, наблюдаемый в ферромагнитных материалах, когда возникает поперечная электрическая напряженность не только за счет внешнего магнитного поля, но и из-за внутренней спонтанной намагниченности материала. В отличие от обычного эффекта Холла, где линейная зависимость напряжения от магнитного поля обусловлена взаимодействием зарядов с Лоренцевой силой, в АЭХ основную роль играет спин-зависимое рассеяние электронов и внутренняя структура ферромагнитного вещества.
Математически величина аномального эффекта Холла выражается через суммарное поперечное сопротивление:
ρxy = R0B + RsM
где R0 — коэффициент обычного Холла, B — магнитная индукция, Rs — коэффициент аномального Холла, M — намагниченность материала. Первый член описывает стандартный эффект Холла, второй — аномальный, обусловленный внутренней спонтанной намагниченностью.
Аномальный эффект Холла объясняется тремя основными механизмами:
Механизм соскальзывания (skew scattering) При рассеянии электронов на примесях и дефектах в ферромагнитных материалах вероятность отклонения вправо или влево зависит от ориентации спина электрона относительно локального магнитного момента. Это асимметричное рассеяние приводит к появлению поперечной компоненты тока. Эффект линейно зависит от времени релаксации τ электронов:
ρxyskew ∝ τ
Механизм бокового смещения (side-jump) Электроны при рассеянии испытывают небольшое боковое смещение, связанное с сильным спин–орбитальным взаимодействием. В отличие от skew scattering, contribution бокового смещения не зависит от времени релаксации, а значит, является более универсальным и менее чувствительным к чистоте материала:
ρxyside-jump ∼ const
Вклад из внутренней структуры энергии (intrinsic mechanism) Этот механизм обусловлен свойствами зонной структуры ферромагнетика и эффектом Берри-кривизны в импульсном пространстве. При движении электрона в периодическом потенциале кристалла с сильным спин–орбитальным взаимодействием формируется эффективная магнитная «кривизна», которая отклоняет электроны перпендикулярно направлению тока:
ρxyintrinsic ∼ M
Комбинация этих механизмов определяет величину и характер аномального эффекта Холла в конкретном материале.
Аномальный эффект Холла проявляет сложную зависимость от температуры T и внешнего магнитного поля B. Вблизи температуры Кюри TC наблюдается резкое уменьшение намагниченности, что приводит к сильному снижению коэффициента аномального Холла Rs. На низких температурах, где доминирует спин–орбитальное взаимодействие, вклад intrinsic-механизма становится преобладающим, тогда как при высоких температурах, где возрастает роль рассеяния на примесях и дефектах, растет влияние skew scattering.
Экспериментально зависимость ρxy от намагниченности M позволяет разделять различные механизмы: линейная зависимость указывает на skew scattering, а квадратичная — на side-jump и intrinsic-вклад.
Для измерения аномального эффекта Холла используют метод поперечной конфигурации: тонкий образец пропускают ток вдоль одного направления и измеряют напряжение перпендикулярно направлению тока и магнитной намагниченности. Основные экспериментальные параметры:
Для анализа механизма АЭХ важно сравнение величины аномального сопротивления с проводимостью, зависимостью от температуры и плотности дефектов, что позволяет определить вклад skew scattering, side-jump и intrinsic-механизма.
Аномальный эффект Холла служит мощным инструментом для изучения спиновых и магнитных свойств материала. Он применяется в:
Эффект также активно используется в фундаментальных исследованиях для определения роли спин–орбитального взаимодействия и топологических свойств электронных зон.