DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202522151
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41524212
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Jiajun Ma وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد الطوبولوجية والظواهر
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الخصائص الحرارية الكهربائية العرضية لمغناطيس كاجومي المضاد ErMn₆Sn₆، كاشفة عن تأثيرات نيرنست الشاذة (ANE) وتأثيرات نيرنست الطوبولوجية (TNE) الملحوظة في درجة حرارة الغرفة. يصل ANE إلى حوالي \(1.38 \, \mu V \, K^{-1}\) عند 330 كلفن، وهو ما يعادل المغناطيسات الطوبولوجية الرائدة، ويعزى إلى انحناء بيري القوي الناتج عن فيرميونات ديراك في فجوة تشيرن. بالإضافة إلى ذلك، يظهر إشارة TNE ملحوظة تصل ذروتها عند حوالي \(0.2 \, \mu V \, K^{-1}\) عند 180 كلفن، والتي ترتبط باللزوجة غير الصفرية للسبين الكيرالي الناتجة عن هيكل مغناطيسي مضاد حلزوني مشوه غير متناسب.
تسلط الدراسة الضوء على الاقتران القوي بين ANE وTNE عبر نطاق درجات حرارة من 40 إلى 335 كلفن، مما يشير إلى وجود علاقة مع الكيرالية السبينية غير الصفرية وانحناء بيري. تشير هذه النتائج إلى أن الأنسجة السبينية غير المتناسبة في أنظمة كاجومي يمكن أن تظهر في الوقت نفسه ANE وTNE كبيرين في درجة حرارة الغرفة، مما يقدم طريقًا واعدًا لتطبيقات حرارية كهربائية جديدة. يمكن أن تعزز الأعمال المستقبلية التي تركز على تحسين الهياكل السبينية ودمج الأجهزة الاستخدام العملي لمغناطيس كاجومي في جمع الطاقة وإدارة الحرارة.
مقدمة
تناقش المقدمة الخصائص الإلكترونية الفريدة لمواد شبكة كاجومي، مثل الحزم المسطحة ونقاط ديراك/ويل، مما يجعلها واعدة للتطبيقات في الإلكترونيات فائقة السرعة، والسبينترونيكس، والأجهزة الحرارية الكهربائية. تواجه طرق جمع الطاقة الحرارية الكهربائية التقليدية قيودًا بسبب الحاجة إلى تقاطعات p-n مصممة، بينما تقدم التأثيرات الحرارية الكهربائية العرضية، وخاصة تأثير نيرنست الشاذ (ANE)، بديلاً أكثر كفاءة من خلال تبسيط تصنيع الأجهزة. تبرز الدراسة مغناطيس كاجومي القائم على المنغنيز RMn₆Sn₆ (حيث R = Gd-Lu, Y, Sc) كنظام ملحوظ يظهر فجوات تشيرن وأوامر مغناطيسية متغيرة، بما في ذلك حالات فيري مغناطيسية ومضادة مغناطيسية، والتي تعتبر حاسمة لاستكشاف الظواهر النقل الشاذة.
على وجه التحديد، يتم وضع المركب ErMn₆Sn₆ (EMS) عند الحدود بين مراحل مغناطيسية مختلفة، مما يظهر كل من تأثير هول الشاذ (AHE) وتأثير هول الطوبولوجي (THE). تكشف الدراسة أن EMS يظهر ANE كبير في درجة حرارة الغرفة يبلغ 1.38 µV K⁻¹، يعزى إلى انحناء بيري القوي الناتج عن فيرميونات ديراك في فجوة تشيرن، إلى جانب TNE كبير يصل ذروته عند حوالي 0.2 µV K⁻¹ عند 180 كلفن. يرتبط هذا TNE بالكيرالية السبينية غير الصفرية الناتجة عن الأنسجة السبينية غير المتناسبة لحالة المغناطيسية المضادة الحلزونية المشوهة. تؤكد النتائج على إمكانيات مواد شبكة كاجومي لتطبيقات حرارية كهربائية عالية الأداء، بينما تعالج أيضًا تعقيدات عزل وفهم TNE في هذه الأنظمة.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع بلورات فردية عالية الجودة من EMS باستخدام طريقة التدفق الذاتي، والتي تتضمن مزيجًا دقيقًا من العناصر Er وMn وSn بنسبة 1:6:30. شمل عملية النمو تسخين المزيج إلى 1000 درجة مئوية، تليها تبريد محكوم إلى 950 درجة مئوية ثم إلى 600 درجة مئوية، مع إزالة Sn الزائد عبر الطرد المركزي. كانت الألواح السداسية الناتجة من EMS تقيس حوالي 3 مم × 2 مم × 0.4 مم. تم إجراء توصيف لهيكل البلورة باستخدام حيود الأشعة السينية وطيف الأشعة السينية الموزعة بالطاقة، مما يؤكد النسبة المولية وجودة البلورات.
كشفت قياسات المغنطة عن انتقالين مغناطيسيين عند درجات حرارة TN = 348 كلفن وTC = 68 كلفن، مما يتوافق مع الانتقال من حالة بارامغناطيسية إلى ترتيب حلزوني ثم إلى حالة فيرومغناطيسية، على التوالي. أشارت قياسات المقاومة إلى انخفاض كبير من 243.4 µΩ·cm عند 300 كلفن إلى 4.8 µΩ·cm عند 4 كلفن، مما يعطي نسبة مقاومة متبقية عالية (RRR = 51). أظهرت قياسات القوة الحرارية قيمة إيجابية تتناقص مع درجة الحرارة، مما يشير إلى وجود ناقلات من نوع الفتحة بشكل أساسي، مع انتقال إلى ناقلات من نوع الإلكترون تحت 15 كلفن. وصلت القوة الحرارية القصوى إلى 24 µV/K عند 300 كلفن، وهو ما يعادل مواد كاجومي الأخرى، مما يبرز إمكانيات بلورات EMS لتطبيقات حرارية كهربائية.
نتائج
تسلط النتائج المقدمة في هذا القسم الضوء على سلوك مقاومة هول ($\rho_{yx}$) وإشارة نيرنست ($S_{xy}$) في العينة S1 عبر نطاق درجات حرارة من 40 كلفن إلى 355 كلفن تحت مجالات مغناطيسية متغيرة على طول محور z. تظهر كل من $\rho_{yx}$ و$S_{xy}$ قفزة كبيرة عند حقل مغناطيسي حرج، تليها زيادة خطية، مما يشير إلى هيمنة تأثيرات هول الشاذ ونيرنست التي من المحتمل أن تكون متناسبة مع المغنطة. تم تحديد الموصلية الشاذة الداخلية (AHC) لـ S1 بحوالي $70 \, \Omega^{-1} \text{cm}^{-1}$، وهو ما يعادل تقريبًا ضعف القيمة المبلغ عنها في الدراسات السابقة، ويعزى ذلك إلى قرب مستوى فيرمي من فجوة تشيرن، مما يعزز انحناء بيري.
بالإضافة إلى ذلك، يظهر تأثير نيرنست الشاذ (ANE) قيمة ذروة تبلغ $1.38 \, \mu V \, K^{-1}$ عند 335 كلفن، وهو ما يعادل مغناطيسات فيرومغناطيسية طوبولوجية أخرى. يكشف الاعتماد على درجة الحرارة لـ AHC وANE عن درجات حرارة ذروة مميزة، مما يشير إلى أصول فيزيائية مختلفة لتأثيرات هول ونيرنست العرضية. تشير النتائج إلى أن التفاعل بين فجوة تشيرن وأوامر المغناطيسية الحلزونية المضادة يعزز بشكل كبير ANE، مع مساهمة المجالات المغناطيسية الناشئة في الفضاء الحقيقي في الظواهر النقل الطوبولوجية الملحوظة. كما توضح الدراسة الانتقالات الطورية في الهيكل المغناطيسي للمادة، مما يبرز التعايش بين تأثير هول الطوبولوجي (THE) وتأثير نيرنست العرضي (TNE) في الترتيب المغناطيسي الحلزوني، والذي يكسر تناظر عكس الزمن وينتج مجالًا مغناطيسيًا ناشئًا في الفضاء الحقيقي للناقلات الإلكترونية.
نقاش
في هذه الدراسة، استكشفنا الخصائص الحرارية الكهربائية العرضية لمغناطيس كاجومي المضاد ErMn₆Sn₆، مع تسليط الضوء على التعايش بين تأثير نيرنست الشاذ الكبير (ANE) وتأثير نيرنست الطوبولوجي (TNE) ضمن حالته المغناطيسية الحلزونية المشوهة. يصل ANE إلى قيمة ذروة تبلغ حوالي \(1.38 \, \mu V \, K^{-1}\) عند 330 كلفن، وهو ما يعادل القيم التي لوحظت في مغناطيسات طوبولوجية بارزة. يُعزى هذا ANE الكبير إلى انحناء بيري القوي في فضاء الزخم، المتأثر بوجود فيرميونات ديراك في فجوة تشيرن. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط إشارة TNE الملحوظة، التي تصل ذروتها عند حوالي \(0.2 \, \mu V \, K^{-1}\) عند 180 كلفن، بالكيرالية السبينية غير الصفرية الناتجة عن الأنسجة السبينية غير المتناسبة لحالة السبين الحلزوني المشوه.
تكشف الدراسة عن اقتران قوي بين ANE وTNE عبر نطاق واسع من درجات الحرارة من 40 إلى 335 كلفن، مدعومًا بالعلاقة بين الاعتماد على درجة الحرارة لهذه الإشارات والكيرالية السبينية الأساسية وانحناء بيري. تشير هذه النتائج إلى أن الأنسجة السبينية غير المتناسبة في أنظمة كاجومي يمكن أن تظهر في الوقت نفسه TNE وANE كبيرين في درجة حرارة الغرفة، مما يشير إلى طريق واعد لاستكشاف ظواهر حرارية كهربائية عرضية جديدة. يمكن أن تعزز الأعمال المستقبلية التي تركز على تحسين الهياكل السبينية، وتحسين جودة البلورات، ودمج الأجهزة أداء مغناطيس كاجومي، مما قد يؤدي إلى تقدم في جمع الطاقة وتطبيقات إدارة الحرارة.
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202522151
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41524212
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Jiajun Ma et al.
Primary Topic: Topological Materials and Phenomena
Overview
The research investigates the transverse thermoelectric properties of the kagome antiferromagnet ErMn₆Sn₆, revealing significant room-temperature anomalous Nernst effects (ANE) and topological Nernst effects (TNE). The ANE reaches approximately \(1.38 \, \mu V \, K^{-1}\) at 330 K, comparable to leading topological magnets, and is attributed to strong Berry curvature induced by Chern gap Dirac fermions. Additionally, a notable TNE signal peaks at around \(0.2 \, \mu V \, K^{-1}\) at 180 K, which is linked to the non-zero scalar spin chirality from the incommensurate distorted triplet spiral antiferromagnetic (AFM) structure.
The study highlights the strong coupling between ANE and TNE across a temperature range of 40 to 335 K, suggesting a correlation with scalar spin chirality and Berry curvature. These findings indicate that incommensurate spin textures in kagome systems can simultaneously exhibit substantial ANE and TNE at room temperature, presenting a promising avenue for novel thermoelectric applications. Future work focusing on optimizing spin structures and device integration could enhance the practical use of kagome magnets in energy harvesting and thermal management.
Introduction
The introduction discusses the unique electronic properties of Kagome lattice materials, such as flat bands and Dirac/Weyl points, which make them promising for applications in ultrafast electronics, spintronics, and thermoelectric devices. Traditional thermoelectric energy harvesting methods face limitations due to the need for engineered p-n junctions, while transverse thermoelectric effects, particularly the anomalous Nernst effect (ANE), offer a more efficient alternative by simplifying device fabrication. The research highlights the Mn-based Kagome magnet RMn₆Sn₆ (with R = Gd-Lu, Y, Sc) as a notable system that exhibits Chern gaps and varying magnetic orders, including ferrimagnetic and antiferromagnetic states, which are crucial for exploring anomalous transport phenomena.
Specifically, the compound ErMn₆Sn₆ (EMS) is positioned at the boundary between different magnetic phases, showcasing both an anomalous Hall effect (AHE) and a topological Hall effect (THE). The study reveals that EMS exhibits a large room-temperature ANE of 1.38 µV K⁻¹, attributed to strong Berry curvature from Chern gap Dirac fermions, alongside a significant TNE peaking at approximately 0.2 µV K⁻¹ at 180 K. This TNE is linked to non-zero scalar spin chirality arising from the incommensurate spin textures of the distorted triplet spiral antiferromagnetic state. The findings underscore the potential of Kagome lattice materials for high-performance transverse thermoelectric applications, while also addressing the complexities of isolating and understanding the TNE in these systems.
Methods
In this study, high-quality EMS single crystals were synthesized using a self-flux method, involving a precise mixture of elemental Er, Mn, and Sn in a 1:6:30 ratio. The growth process included heating the mixture to 1000 °C, followed by a controlled cooling to 950 °C and then to 600 °C, with excess Sn removed via centrifugation. The resulting hexagonal EMS plates measured approximately 3 mm × 2 mm × 0.4 mm. Characterization of the crystal structure was performed using X-ray diffraction and energy-dispersive X-ray spectroscopy, confirming the stoichiometry and quality of the crystals.
Magnetization measurements revealed two magnetic phase transitions at temperatures TN = 348 K and TC = 68 K, corresponding to a transition from a paramagnetic state to a spiral order and subsequently to a ferromagnetic state, respectively. The resistivity measurements indicated a significant decrease from 243.4 µΩ·cm at 300 K to 4.8 µΩ·cm at 4 K, yielding a high Residual Resistivity Ratio (RRR = 51). The thermopower measurements showed a positive value that decreased with temperature, indicating predominantly hole-type carriers, with a crossover to electron-type carriers below 15 K. The maximum thermopower reached 24 µV/K at 300 K, comparable to other Kagome materials, highlighting the potential of EMS crystals for thermoelectric applications.
Results
The results presented in this section highlight the behavior of Hall resistivity ($\rho_{yx}$) and Nernst signal ($S_{xy}$) in the sample S1 across a temperature range of 40 K to 355 K under varying magnetic fields along the z-axis. Both $\rho_{yx}$ and $S_{xy}$ exhibit a significant jump at a critical magnetic field, followed by a linear increase, indicating the dominance of anomalous Hall and Nernst effects likely proportional to the magnetization. The intrinsic anomalous Hall conductivity (AHC) for S1 was determined to be approximately $70 \, \Omega^{-1} \text{cm}^{-1}$, which is about twice the value reported in previous studies, attributed to the proximity of the Fermi level to the Chern gap, enhancing the Berry curvature.
Additionally, the anomalous Nernst effect (ANE) shows a peak value of $1.38 \, \mu V \, K^{-1}$ at 335 K, comparable to other topological ferromagnets. The temperature dependence of the AHC and ANE reveals distinct peak temperatures, suggesting different physical origins for the transverse Hall and Nernst effects. The findings indicate that the interplay between the Chern gap and spiral antiferromagnetic orders significantly enhances the ANE, with the emergent magnetic fields in real space contributing to the observed topological transport phenomena. The study also outlines the phase transitions in the magnetic structure of the material, emphasizing the coexistence of the topological Hall effect (THE) and transverse Nernst effect (TNE) in the spiral magnetic order, which breaks time-reversal symmetry and generates a real-space emergent magnetic field for conducting electrons.
Discussion
In this study, we explored the transverse thermoelectric properties of the kagome antiferromagnet ErMn₆Sn₆, highlighting the coexistence of a significant anomalous Nernst effect (ANE) and topological Nernst effect (TNE) within its distorted triplet spiral antiferromagnetic state. The ANE reaches a peak value of approximately \(1.38 \, \mu V \, K^{-1}\) at 330 K, which is comparable to values observed in notable topological magnets. This substantial ANE is attributed to the strong Berry curvature in momentum space, influenced by the presence of Chern gap Dirac fermions. Additionally, a notable TNE signal, peaking at around \(0.2 \, \mu V \, K^{-1}\) at 180 K, is linked to the non-zero scalar spin chirality arising from the incommensurate distorted triplet spiral (DTS) antiferromagnetic spin texture.
The study reveals a strong coupling between ANE and TNE across a wide temperature range from 40 to 335 K, supported by the correlation between the temperature dependence of these signals and the underlying scalar spin chirality and Berry curvature. These findings indicate that incommensurate spin textures in kagome systems can simultaneously exhibit significant TNE and ANE at room temperature, suggesting a promising avenue for investigating novel transverse thermoelectric phenomena. Future work focused on optimizing spin structures, improving crystal quality, and integrating devices could enhance the performance of kagome magnets, potentially leading to advancements in energy harvesting and thermal management applications.