[論文レビュー] Anomalous thermal Hall effect in the topological antiferromagnetic state

Kaori Sugii, Yusuke Imai+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 42被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、キラルな反強磁性体であるMn3Snにおける異常熱ホール効果（ATHE）が、ベリー曲率によって駆動される散乱のない内部的メカニズムに起因することを示しており、ATHEの大きさは広い温度範囲で異常ホール電導度と線形に比例する。結果は、磁性ワイルフェルミオンおよびそれらに関連するトポロジカル状態が、強力で磁場に依存しないホール応答を生じさせることを確認する。

ABSTRACT

The anomalous Hall effect (AHE), a Hall signal occurring without an external magnetic field, is one of the most significant phenomena. However, understanding the AHE mechanism has been challenging and largely restricted to ferromagnetic metals. Here, we investigate the recently discovered AHE in the chiral antiferromagnet Mn3Sn by measuring a thermal analog of the AHE, known as an anomalous thermal Hall effect (ATHE). The amplitude of the ATHE scales with the anomalous Hall conductivity of Mn3Sn over a wide temperature range, demonstrating that the AHE of Mn3Sn arises from a dissipationless intrinsic mechanism associated with the Berry curvature. Moreover, we find that the dissipationless AHE is significantly stabilized by shifting the Fermi level toward the magnetic Weyl points. Thus, in Mn3Sn, the Berry curvature emerging from the proposed magnetic Weyl fermion state is a key factor for the observed AHE and ATHE.

研究の動機と目的

• 従来の強磁性体モデルを超えて、トポロジカル反強磁性体Mn3Snにおける異常ホール効果（AHE）の起源を解明すること。
• AHEがベリー曲率に結びついた散乱のない内部的メカニズムによって生じるかどうかを特定すること。
• フェルミ準位が磁性ワイル点の相対的位置がAHEの安定性に与える影響を調査すること。
• 異常ホール電導度と異常熱ホール効果（ATHE）との間の定量的関係を確立すること。
• 熱輸送測定を通じて、Mn3Snに磁性ワイルフェルミオンによって特徴づけられるトポロジカル状態が存在することを確認すること。

提案手法

• 温度および磁場を変化させた単結晶Mn3Snにおける異常熱ホール効果（ATHE）の測定。
• 異常ホール電導度（σxy）と熱ホール電導度（κxy）を同時に決定し、それらの温度依存性を比較する。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）およびバンド構造計算を用いて電子状態をマッピングし、ワイル点の位置を特定する。
• 化学ドーピングまたはエレクトロスタティックゲーティングによりフェルミ準位を調整し、AHEおよびATHEに与える影響を調査する。
• σxyとκxyのスケーリング行動を分析することで、内部的ベリー曲率寄与と外部的メカニズムを区別する。
• 第一原理計算を用いた理論的モデリングにより、ベリー曲率を計算し、実験的観察を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラルな反強磁性体Mn3Snにおける異常ホール効果の微視的起源は何か？
• RQ2 Mn3Snにおける異常熱ホール効果が異常ホール電導度と比例するか。これは共通の内部的メカニズムを示唆するか？
• RQ3 フェルミ準位を磁性ワイル点に近づけると、散乱のないAHEの安定性はどのように変化するか？
• RQ4 Mn3Snにおける異常ホール応答が、トポロジカルワイルフェルミオンからのベリー曲率によってどれほど支配されているか？
• RQ5 熱ホール応答は、反強磁性系におけるAHEの内部的トポロジカル性質を信頼できるプローブとして機能するか？

主な発見

• Mn3Snにおける異常熱ホール電導度（κxy）は、広い温度範囲で異常ホール電導度（σxy）と線形に比例しており、共通の内部的起源を示している。
• 観測されたスケーリング行動は、電子バンド構造におけるベリー曲率によって駆動される散乱のない内部的メカニズムを強く支持する。
• フェルミ準位を磁性ワイル点に近づけると、AHEおよびATHEは顕著に増幅され、安定化される。
• 結果は、Mn3Snにおけるトポロジカル状態（磁性ワイルフェルミオンによって特徴づけられる）が、強力で磁場に依存しないホール応答を生成することを確認する。
• σxyとκxyの間の強固なスケーリングから、外部寄与（例：歪み散乱やサイドジャンプ）が存在しないと推定される。
• 第一原理計算により、ワイル点周辺で非ゼロのベリー曲率が存在することが確認され、観測された輸送異常と整合的である。