Berry phase mechanism of the anomalous Hall effect in a disordered two-dimensional magnetic semiconductor structure

Abstract

The anomalous Hall effect (AHE) arises from the interplay of spin-orbit interactions and ferromagnetic order and is a potentially useful probe of electron spin polarization, especially in nanoscale systems where direct measurement is not feasible. While AHE is rather well-understood in metallic ferromagnets, much less is known about the relevance of different physical mechanisms governing AHE in insulators. As ferromagnetic insulators, but not metals, lend themselves to gate-control of electron spin polarization, understanding AHE in the insulating state is valuable from the point of view of spintronic applications. Among the mechanisms proposed in the literature for AHE in insulators, the one related to a geometric (Berry) phase effect has been elusive in past studies. The recent discovery of quantized AHE in magnetically doped topological insulators - essentially a Berry phase effect - provides strong additional motivation to undertake more careful search for geometric phase effects in AHE in the magnetic semiconductors. Here we report our experiments on the temperature and magnetic field dependences of AHE in insulating, strongly-disordered two-dimensional Mn delta-doped semiconductor heterostructures in the hopping regime. In particular, it is shown that at sufficiently low temperatures, the mechanism of AHE related to the Berry phase is favoured.

Квантовые поправки к проводимости и аномальный эффект Холла в квантовых ямах InGaAs с пространственно отделенной примесью Mn

“…В данном кон-тексте это соответствует формированию скирмионов (или аналогичных образований) за счет взаимодействия Дзялошинского−Мории. Топологический вклад в АЭХ в подобных системах был впервые экспериментально обнаружен в работе [13], что связывается с возникно-вением киральных магнитных конфигураций в слое Mn. В структурах, изученных в [13], в области низких темпе-ратур наблюдался переход к прыжковой проводимости, в условиях которой топологический вклад успешно объяс-няется в рамках адиабатического приближения, т. е. при адиабатическом (обменном) взаимодействии носителей заряда в двумерном канале с киральной текстурой магнитной подсистемы.…”

“…Топологический вклад в АЭХ в подобных системах был впервые экспериментально обнаружен в работе [13], что связывается с возникно-вением киральных магнитных конфигураций в слое Mn. В структурах, изученных в [13], в области низких темпе-ратур наблюдался переход к прыжковой проводимости, в условиях которой топологический вклад успешно объяс-няется в рамках адиабатического приближения, т. е. при адиабатическом (обменном) взаимодействии носителей заряда в двумерном канале с киральной текстурой магнитной подсистемы. Однако в случае дрейфовой проводимости в канале, изучаемом в данной статье, по-ведение топологического вклада существенно зависит от выполнения или невыполнения условия адиабатичности взаимодействия двумерных дырок и киральных образо-ваний [27,29].…”

“…Поэтому количественное и качественное описание топологического вклада в этом случае затруд-нено отсутствием точной теории. Тем не менее благо-даря формированию конфигураций намагниченности с ненулевой киральностью в слое Mn [13] топологиче-ский вклад должен иметь место и в рассматриваемых системах.…”

“…дополнительного положительного вклада. Как уже упо-миналось ранее, это может быть связано с появлением нетривиальной топологии магнитной подсистемы, по аналогии с результатами работы [13].…”

“…Образцы были выращены на подложках GaAs методом MOCVD (metalorganic chemical vapour deposition) с лазерным распылением Mn-мишени, после чего на поверхности образцов бы-ли сформированы мезаструктуры в виде холловских мостиков (с отношением длины канала к его ши-рине ≈ 5). Структура исследованных образцов пред-ставлена в [4,13]. Ввиду диффузии атомов марган-ца в процессе роста структуры формируется примес-ный слой (Ga, Mn)As толщиной 3−5 нм, отделенный от квантовой ямы спейсером GaAs толщиной 3 нм.…”