The intrinsic anomalous Hall response of Bi(111) thin films under an in-plane uniform magnetic field was investigated computationally, and molecular beam epitaxy growth and structural characterization of Bi thin films was conducted with the future goal of performing experimental measurements of this effect. A multiorbital sp3 tight-binding model of a 16-bilayer Bi(111) slab was constructed including surface-state effects, and an in-plane magnetic field introduced through Peierls orbital, spin-Zeeman, and orbital-Zeeman couplings. The resulting Berry curvature and anomalous Hall conductivity was then calculated. For a magnetic field along the bisectrix direction, a finite intrinsic Hall response was obtained and found to be dominated by the Peierls orbital coupling. The largest-Berry curvature contributions originate from pairs of bands near the Fermi level with substantial surface localization. The Hall sheet conductance near the Fermi level was calculated to be in the order of 0.3-0.4 e2/h.In parallel, Bi thin films were grown on Al2O3(0001) using molecular beam epitaxy and characterized using RHEED and X-ray diffraction techniques. The films were predominantly Bi(111)-oriented, but showed 60 deg rotated domains in the plane, which are expected to suppress the in-plane Hall effect by cancellation. The most promising results were obtained for growth at approximately room temperature followed by post annealing at 260 C, close to the melting point of Bi.

The results demonstrate that an intrinsic in-plane anomalous Hall response is allowed by symmetry and can arise from the electronic structure of Bi(111) thin films, but improved control of in-plane domain formation is necessary for future experimental investigation.

Den intrinsiska anomala Hallresponsen hos tunna filmar av vismut Bi(111) under ett magnetfält i planet beräknades, och tillväxt med molekylstrålepitaxi samt strukturell karakterisering av tunna filmer av vismut genomfördes med det framtida målet att utföra experimentella mätningar av effekten. En multiorbital sp3 tätbindningsmodell av 16 dubbellager Bi(111) konstruerades med yttillståndseffekter inlkluderade, och ett magnetfält i planet infördes genom orbital Peirls-koppling, spinn-Zeemankoppling och orbital Zemannkoppling. Den resulterande Berrykrökningen och anomala Hallkonduktiviteten beräknades sedan. För ett magnetfält längs med bisektrisen erhölls en finit intrinisk Hallrespons som dominerades av den orbitala Peierls-kopplingen. De största bidragan till Berrykrökningen erhölls från bandpar nära Ferminivån, och visade på betydande ytlokalisering. Hall-ytkonduktansen nära Ferminivån beräknades vara av storleksordningen 0.3-0.4 e2/h.

Parallelt tillverkades tunna filmer av vismut på Al2O3(0001) med molekylstrålepitaxi och karakteriserades med RHEED och röntgenstråldiffraktion. Filmer var till största delen Bi(111)-orienterade, men visade på 60 deg roterade domäner i planet, vilka förväntas undertrycka Hallresponsen i planet. De mest lovande resultaten erhölls för tillväxt vid rumstemperatur följt av glödgning vid 260 C, nära smältpunkten för vismut.

Resultaten visar att en intrinsisk anomal Hallrespons i planet är tillåten av symmetriskäl och kan uppstå från den elektroniska strukturen hos tunna filmer av Bi(111), men att förbättrad kontroll av domänbildningen i planet är nödvändig för framtida experimentall undersökningar.