[論文レビュー] Anomalous Nernst and Righi-Leduc effects in Mn$_{3}$Sn: Berry curvature and entropy flow

Xiaokang Li, Xu, Liangcai+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2016

Powder Metallurgy Techniques and Materials被引用数 19

ひとこと要約

本研究は、大きな異常ホール効果を示す非同一磁性体Mn₃Snにおける異常ネルンスト効果およびリヒィ・レドウ効果を調査し、ベリー曲率が室温で検出可能な大きな横方向熱電および熱ホール応答を生成することを示した。異常電導度はウィーデマン＝フランツの法則を満たしており、非弾性散乱ではなくベリー曲率が異常ホール効果を駆動していることを確認した。異常ホール電導度と熱電導度の比は、k_B/eに非常に近い値を示した。

ABSTRACT

We present a study of electric, thermal and thermoelectric response in noncollinear antiferromagnet Mn$_{3}$Sn, which hosts a large Anomalous Hall Effect (AHE). Berry curvature generates off-diagonal thermal(Righi-Leduc) and thermoelectric(Nernst) signals, which are detectable at room temperature and invertible with a small magnetic field. The thermal and electrical Hall conductivities respect the Wiedemann-Franz law, implying that the transverse currents induced by Berry curvature are carried by Fermi surface quasi-particles. In contrast to conventional ferromagnets, the anomalous Lorenz number remains close to the Sommerfeld number over the whole temperature range of study, excluding any contribution by inelastic scattering and pointing to Berry curvature as the unique source of AHE. The anomalous off-diagonal thermo-electric and Hall conductivities are strongly temperature-dependent and their ratio is close to k$_{B}$/e.

研究の動機と目的

• Mn₃Snに顕著な異常ホール効果を示す非同一磁性体として、その異常ネルンスト効果およびリヒィ・レドウ効果の存在と大きさを調査すること。
• 異常横方向輸送係数がベリー曲率によって支配されているのか、それとも非弾性散乱過程によって支配されているのかを特定すること。
• Mn₃Snにおけるウィーデマン＝フランツの法則の妥当性を検証し、Fe や Ni などの従来の強磁性体と比較すること。
• 異常ホール電導度と異常熱電導度の関係を定量的に評価し、ワイルノードの位置と関連付けること。

提案手法

• 磁場および温度を変化させた条件下で、Mn₃Sn単結晶における縦方向および横方向輸送係数（抵抗率、熱伝導率、セーベック係数）を測定した。
• 抵抗率テンソルおよびセーベック＝ネルンストテンソルのデータを用いて、行列逆算により非対角成分の異常電導度を計算した：α_xz ≈ (ρ_zz S_xz - ρ_xz S_zz)/(ρ_xx ρ_zz)。
• 横方向温度勾配下での熱電流バランスから導かれる関係式 κ_xz ≈ -κ_xx(B)κ_zz(B)ΔT_x(B)t / (I²R) を用いて、異常リヒィ・レドウ熱伝導率を抽出した。
• 磁場冷却下での磁化測定を実施し、T_N = 420 K で磁気秩序状態が確認され、T₁ = 200 K 以上の温度で微弱な強磁性残留磁化が観測された。
• Mn₃Snにおける異常ローレンツ数（L^A = α^A² / (σ^A κ)）をFe や Ni と比較することで、非弾性散乱の寄与の有無を評価した。
• 理論的モデルを用いて、異常ホール電導度と熱電導度の比を、ワイルノード位置の推定に用いるプローブとして解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn₃Snにおける異常ネルンスト効果はベリー曲率に起因するものであり、室温でも測定可能であるか？
• RQ2 Mn₃Snにおける異常熱伝導率および熱電導率は、どの程度ウィーデマン＝フランツの法則を満たしているか？
• RQ3 非弾性散乱は、従来の強磁性体と同様に、Mn₃Snにおける異常ホール効果に顕著な寄与を示すのか？
• RQ4 異常ホール電導度と異常熱電導度の関係は何か？ また、その関係はワイルノードの位置をどのように示唆するか？
• RQ5 異常ホール電導度と熱電導度の比を、基礎的なベリー曲率分布を特定するための診断ツールとして用いることができるか？

主な発見

• Mn₃Snにおける異常リヒィ・レドウ熱伝導率は大きく、室温でも検出可能であり、広い温度範囲にわたりウィーデマン＝フランツの法則と整合的である。
• 異常ローレンツ数は、測定した全温度範囲にわたり、ソルメルト値（k_B²/e²）に非常に近い値を示し、非弾性散乱が異常輸送に寄与していないことを示した。これにより、異常ホール効果の唯一の原因がベリー曲率であることが確認された。
• 異常ホール電導度（σ^A）と異常熱電導度（α^A）の比は、k_B/e に定量的に近い値を示し、ベリー曲率と横方向輸送の直接的な関連性を支持した。
• 非対角成分の異常電導度は強く温度依存的であり、異常ネルンスト効果はベリー曲率駆動輸送に一致する明確な温度依存性を示した。
• ウィーデマン＝フランツの法則はMn₃Snで成立しており、これはフェルミ面像の異常輸送像がフェルミ海像とは異なり、必ずしもこの法則を満たさないのとは対照的である。
• 測定された輸送係数は、ジャローシュチェンスキー＝モリスキー相互作用によって安定化される三角格子スピン配列を示す磁気構造と整合的であり、磁場下でのキラルスピン再配列の可能性も示唆された。