In search of extraordinary Hall effects in topological semimetals

Abstract

In dieser Dissertation stelle ich den anomalen Hall- und den planar Hall-Effekt (AHE und PHE) von drei Halbmetallen vor. Zunächst diskutiere ich die Verwendung des trivialen Halbmetalls Bi, um die kontroversen Interpretationen über die Herkunft des PHE in nichtmagnetischen Halbmetallen zu erläutern. Durch systematisches Studium des PHE entlang verschiedener Kristallrichtungen in MBE-gezüchteten Bi-Filmen zeigen wir, dass ein großer PHE aus hoch anisotropen elektronischen Strukturen und ultrahohen Trägermobilitäten resultieren kann. Zweitens stelle ich unsere Beobachtung eines großen intrinsischen AHE vor, der aufgrund seiner verstärkten Berry-Krümmung aus den magnetisch angetriebenen Weyl-Zuständen in Co3Sn2S2 entsteht. Außerdem wird gezeigt, dass die feldmodulierte anomale Hall-Leitfähigkeit (AHC) mit der Weyl-Punkt-Trennung, einer direkten Manifestation der Weyl-Physik, zusammenhängt. Abschließend stelle ich unsere Entdeckung eines riesigen extrinsischen AHE in KV3Sb5 vor. Die AHC erreicht eine Höhe von bis zu 15,500 Ω -1 cm-1, die sich aus der Kombination von hochleitfähigen Dirac-Quasiteilchen und einem frustrierten magnetischen Untergitter ergibt.

In this thesis, I present the anomalous Hall and planar Hall effect (AHE and PHE) of three semimetals. First, I discuss using trivial semimetal Bi to eclucidate the controversial claims about the origin of PHE in non-magnetic semimetals. By systematically studying the PHE along different crystal directions in MBE-grown Bi films, we show that a large PHE can originate from highly anisotropic electronic structures and ultrahigh carrier mobilities. Secondly, I present our observation of a large intrinsic AHE arising from the magnetically driven Weyl states in CO3Sn2S2 due to its enhanced Berry curvature. Furthermore, we demonstrate that the field-modulated anomalous Hall conductivity (AHC) is related to the Weyl points separation, a direct manifestation of Weyl physics. Lastly, I show our discovery of a giant extrinsic AHE in KV3Sb5. The AHC reaches as high as 15,500 Ω-1 cm-1, arising from the combination of highly conductive Dirac quasiparticles and frustrated magnetic sublattice.