Analysis of Magneto-Transport Properties of Kagome Chern Magnet TbMn₆Sn₆ = TbMn₆Sn₆ Kagome Chern Magnet 의 자기수송 특성 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The kagome Chern magnet TbMn₆Sn₆ has drawn great interest due to its nontrivial topological electronic structure and strong magnetic correlations. Here, we systematically study the structural and magneto-transport properties of TbMn₆Sn₆ through Hall effect and magnetoresistance measurements in order to set an unambiguous reference framework for its intrinsic electronic behavior. Magnetization measurements show strong out of plan ferromagnetism in a temperature range of 2K-300K. The compound shows a very strong Hall effect with an obvious field-originated hysteresis. Anomalous Hall effect show dominant intrinsic mechanism clearly related to ferromagnetic ordering and Berry-curvature driven transport. The measured magnetoresistance also indicates that there are strong spin-dependent scattering processes occurring throughout the kagome lattice system. More significantly, this study offers a general reference to guide future chemical substitution and doping studies on tailoring the topological and magnetic properties in TbMn₆Sn₆. These observations not only advance our understanding of kagome Chern magnets but also pave the way for engineered topological quantum states for future spintronic applications.

국문 초록 (Abstract)

카고메 체른 자성체 TbMn₆Sn₆는 비자명한 위상학적 전자 구조와 강한 자기 상관관계로 인해 큰 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 Hall 효과 및 자기저항（magnetoresistance） 측정을 통해 TbMn₆Sn₆의 구조적 및 자기수송 특성을 체계적으로 조사하여, 고유한 전자적 거동에 대한 명확한 기준 체계를 제시하고자 하였다. 자화 측정 결과, 2 K에서 300 K의 온도 범위에서 강한 면외（out-of-plane） 강자성 특성이 확인되었다. 또한 본 화합물은 뚜렷한 자기장 유래 히스테리시스를 동반하는 매우 강한 Hall 효과를 나타냈다. 비정상 Hall 효과（anomalous Hall effect）는 강자성 질서 및 Berry 곡률에 의해 유도되는 수송 현상과 밀접하게 연관된 지배적인 내재적 메커니즘을 보여주었다. 측정된 자기저항 결과 역시 카고메 격자계 전반에서 강한 스핀 의존 산란 과정이 존재함을 시사한다. 더욱이 본 연구는 TbMn₆Sn₆의 위상학적 및 자기적 특성을 조절하기 위한 향후 화학적 치환 및 도핑 연구에 유용한 기준 자료를 제공한다. 이러한 결과는 카고메 체른 자성체에 대한 이해를 심화시킬 뿐만 아니라, 미래 스핀트로닉스 응용을 위한 공학적으로 설계된 위상 양자 상태 구현의 기반을 마련한다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER I. INTRODUCTION 1
• 1.1 2D Kagome Magnets 1
• 1.2 Pristine Kagome Ferrimagnet TbMn6Sn6 2
• 1.3 Motivation: 4
• CHAPTER II. THEORETICAL BACKGROUND 5
• 2.1 Topology in Condensed Matter Physics 5
• 2.2 Band Topology in Momentum 7
• 2.2.1 Berry Phase and Berry Curvature 7
• 2.2.2 Chern number 8
• 2.3 Symmetry and Interactions in Topological Materials 8
• 2.3.1 Spin Orbit Interaction 8
• 2.3.2 Time Reversal Symmetry (TR) 9
• 2.4 Chern Magnet 11
• 2.4.1 Transport through chiral edge states 13
• 2.4.2 Quantized anomalous Hall effect 14
• 2.4.3 Magnetization and the Středa formula 15
• 2.5 Transport Properties 17
• 2.5.1 Magnetoresistance 17
• 2.5.2 Ordinay Hall Effect 17
• 2.5.3 Anomalous Hall Effect (AHE) 18
• CHAPTER III. EXPERIMENTAL DETAILS 21
• 3.1 Growth of Crystal 21
• 3.1.1 Self-flux method 21
• 3.2 Single Crystal Characterization 21
• 3.1.1 XRD 21
• 3.1.2 EDS 22
• 3.3 Magnetization Measurements 24
• 3.4 Electrical Transport Measurements 26
• CHAPTER IV. RESULTS AND DISCUSSION 27
• 4.1 Longitudinal Resistivity 27
• 4.2 Magnetoresistance 28
• 4.3 Magnetization M-T Curve 29
• 4.4 Magnetization M-H Curve 30
• 4.5 Total Hall Resistivity 31
• 4.6 Anomalous Hall Resistivity 32
• 4.7 Anomalous hall conductivity vs longitudinal conductivity 33
• 4.8 Anomalous hall resistivity vs longitudinal resistivity 34
• Ⅴ. CONCLUSION 35
• REFERENCE 36
• ABSTRACT 39