在狄拉克卡戈梅磁体Fe3Ge中观察到了显著的异常霍尔效应、拓扑霍尔效应以及能斯特效应

《Advanced Functional Materials》：Large Anomalous and Topological Hall Effect and Nernst Effect in a Dirac Kagome Magnet Fe3Ge

热电材料Fe3Ge表现出显著的异常霍尔效应和异常奈尔效应，其横向热电导率达4.6 A m?1 K?1，归因于动量空间和实空间伯里曲率的协同作用。该材料具有稍畸变的Kagome磁晶格，理论计算验证了其拓扑电子结构主导的输运特性，为室温热电应用提供了新候选。

　　Fe₃Ge作为一种具有独特磁性和电子特性的材料，近年来在科学界引起了广泛关注。它的结构特点在于Fe原子形成的略微扭曲的Kagome晶格，这种晶格结构使得Fe₃Ge在电子和磁性行为上表现出显著的复杂性。研究表明，Fe₃Ge不仅展现出较大的异常霍尔效应（AHE）和异常能斯特效应（ANE），还在横向热电传导方面表现出优异的性能，这使其成为室温热电应用的潜在理想材料。这些特性源于其非平凡的拓扑电子结构，其中巨大的伯里曲率（Berry curvature）在动量空间中起着关键作用，同时在实空间中也因磁场诱导的非零标量自旋奇异性而产生显著影响。本文旨在系统地分析Fe₃Ge的磁结构、电子输运性质以及拓扑效应，以揭示其在热电应用中的潜力。

### 一、Kagome晶格与磁性行为

Fe₃Ge的晶体结构属于六方D0₁₉型，空间群为P6₃/mmc（编号194）。这种结构中，Fe离子形成一个Kagome平面，而Ge离子则位于每个六边形的中心。值得注意的是，Fe原子并未占据特定的晶格位置，如x=1/6和y=1/3，这导致了晶格的轻微扭曲。这种结构特点使得Fe₃Ge在电子和磁性行为上展现出独特的特性。

Fe₃Ge的磁性行为也极具研究价值。其磁序转变温度约为660 K，表明其在高温下仍能保持稳定的磁性。此外，随着温度的降低，Fe₃Ge会发生自旋重取向转变，即在385 K左右，磁矩方向从c轴转向ab平面。这种转变在单晶样品的中子衍射测量中得到了验证，显示了其在不同温度下磁结构的变化。

### 二、电子输运特性

Fe₃Ge的电子输运特性表现出高度的各向异性。纵向电阻率ρ_xx和ρ_zz在低温下随温度降低而减少，显示出较高的残余电阻率比（RRR），这表明其单晶质量较高。然而，与大多数其他Kagome材料不同，Fe₃Ge的平面内电阻率ρ_xx大约是平面外电阻率ρ_zz的3到4倍。这种各向异性可能源于Fe离子之间的轨道杂化效应，尤其是在平面外方向上，Fe-Fe键长更短，导致更强的轨道耦合。

异常霍尔效应（AHE）是Fe₃Ge最显著的电子输运现象之一。通过测量不同温度下的霍尔电阻率ρ_xz，发现其在低温下随磁场增强而迅速增加，并在接近饱和磁化时趋于稳定。这种行为表明AHE主要由内在机制驱动，而非外在的散射效应。理论上，AHE与电子带结构的伯里曲率密切相关，而Fe₃Ge中因Kagome晶格结构而产生的非平凡拓扑特性，使得其AHE表现出较大的强度。

### 三、热电输运特性

Fe₃Ge的热电输运特性同样值得关注。在温度为320 K时，其异常横向热电传导系数α_xz^A达到了约4.6 A m^?1 K^?1，远超传统铁磁材料和大多数拓扑铁磁材料的报道值。这种显著的热电性能可能与Fe₃Ge中电子带结构的拓扑性质有关，特别是在动量空间中形成的Dirac能隙区域，其伯里曲率的贡献尤为突出。

此外，Fe₃Ge还表现出拓扑霍尔电阻率ρ_xz^T和拓扑能斯特系数S_xz^T。在320 K时，ρ_xz^T约为0.9 μΩ·cm，而S_xz^T约为1.2 μV·K^?1。这些拓扑效应的出现，可能与磁场诱导的非零标量自旋奇异性有关，该奇异性在实空间中产生了一个非平凡的伯里相位，从而影响了电子的输运行为。

### 四、拓扑效应的机制

Fe₃Ge的拓扑效应，如异常霍尔效应和异常能斯特效应，主要来源于其电子带结构的非平凡拓扑性质。通过第一性原理计算，发现Fe₃Ge中存在多个Dirac能隙带交叉点，这些交叉点在费米能级附近形成显著的伯里曲率。值得注意的是，这些能隙两侧的伯里曲率具有相反的符号，这种特性增强了异常霍尔效应和异常能斯特效应的强度。

此外，Fe₃Ge的拓扑霍尔效应和拓扑能斯特效应还与磁场诱导的非共面自旋结构有关。当施加磁场时，系统中的自旋构型会发生变化，从而产生非零的标量自旋奇异性。这种奇异性不仅影响了系统的霍尔电阻率，还可能通过动态的自旋涨落机制，导致热电输运特性的显著变化。例如，在某些温度范围内，系统中产生的热激发自旋涨落可能形成具有特定手性的自旋激发，从而产生非零的标量自旋奇异性，并进一步增强拓扑效应。

### 五、实际应用前景

Fe₃Ge的优异热电性能，结合其较高的磁序转变温度，使其成为室温热电应用的理想候选材料。其异常能斯特效应和异常霍尔效应的协同作用，不仅提高了热电转换效率，还增强了其在磁场环境下的稳定性。这使得Fe₃Ge在热电转换、磁热发电以及磁性传感器等应用中具有广阔的前景。

尽管Fe₃Ge的拓扑效应已通过实验和理论计算得到了验证，但其具体机制仍需进一步研究。例如，虽然磁场诱导的非共面自旋结构被认为是产生拓扑霍尔效应和拓扑能斯特效应的原因之一，但目前尚无法完全确定这些效应的来源。因此，未来的研究需要结合中子散射、电子显微镜等手段，深入探讨Fe₃Ge在不同温度和磁场下的自旋结构演化，以进一步揭示其拓扑特性的本质。

### 六、研究意义与展望

Fe₃Ge的发现和研究不仅拓展了我们对Kagome磁性材料的理解，也为新型热电材料的开发提供了新的思路。其独特的结构和拓扑特性，使其在高温下仍能保持稳定的磁性和电子行为，这在许多传统材料中是难以实现的。因此，Fe₃Ge可能成为未来热电应用中具有竞争力的材料之一。

此外，Fe₃Ge的研究也揭示了磁性材料中拓扑效应与热电效应之间的潜在联系。这种联系不仅为热电材料的设计提供了新的理论依据，还可能启发其他具有类似结构的材料的探索。未来的研究可以进一步探讨Fe₃Ge在不同环境条件下的性能变化，以及其在实际器件中的应用潜力。这些研究将有助于推动新型热电材料的发展，并在能源转换和存储领域带来重要的突破。