[論文レビュー] Coexistence of Anomalous Hall Effect and Weak Net Magnetization in Collinear Antiferromagnet MnTe

Katarzyna Kluczyk-Korch, Katarzyna Gas+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、磁気的補償と見なされてきた一軸反強磁性体であるバルクヘキサゴナルMnTeにおいて、測定可能な異常ホール効果（AHE）と弱いネット磁化が共存することを示した。Dzyaloshinskii–Moriya型相互作用を組み込んだ体系的マクロスピンモデルを用いて、著者らはこの弱いフェロ磁性的性質に類する磁化がNéelベクトルの degeneracy を破り、完全な磁気補償がなくてもヒステリックなAHE挙動を可能にすることを示した。主な貢献は、有限なネット磁化がAHE信号の平均化を防ぎ、Néelベクトルの向きと輸送応答を結びつけるメカニズムの同定にある。

ABSTRACT

Anomalous Hall effect (AHE) plays important role in the rapidly developing field of antiferromagnetic spintronics. It has been recently discussed that it can be a feature of not only uncompensated magnetic systems but also in altermagnetic materials. Hexagonal MnTe belongs to this appealing group of compounds exhibiting AHE and is commonly perceived as magnetically compensated. Here, we demonstrate that bulk form of MnTe exhibits small but detectable magnetic moment correlating with hysteretic behaviour of the AHE. We formulate a phenomenological model which explains how this feature allows to create a disbalance between states with opposite Néel vector and prevent the AHE signal from averaging out to zero. Moreover, we show how the dependence of AHE on the Néel vector arises on microscopical level and highlight the differences in Berry curvature between magnetically compensated and uncompensated systems.

研究の動機と目的

• バルクヘキサゴナルMnTe、すなわち従来は磁気的に補償されていると見なされてきた一軸反強磁性体における異常ホール効果（AHE）の起源を調査すること。
• バルクMnTeに弱いネット磁化が存在するかどうかを特定し、AHEおよび磁気ヒステリシスととの相関関係を明らかにすること。
• 外部磁場下におけるNéelベクトル再配列を説明するDzyaloshinskii–Moriya型相互作用とNéelベクトルの再配列を含む体系的マクロスピンモデルを構築すること。
• Berry曲率とスピン軌道結合が、近似的にゼロのネット磁化を示す系においてAHEを可能にする役割を明確にすること。
• 輸送測定において、内在的AHEメカニズムとネット磁化に起因する外的寄与との区別をすること。

提案手法

• 基板や応力効果を排除するため、蒸気相法を用いて高品質で遊離したバルクMnTe単結晶を調製した。
• 弱いフェロ磁性的性質に類する（WFL）磁化とヒステリックなAHEを検出するために、定量的体積磁化率測定および抵抗率測定を実施した。
• 外部磁場下におけるエネルギー状態とNéelベクトル再配列を記述するため、Dzyaloshinskii–Moriya型相互作用を含む体系的マクロスピンモデルを用いた。
• 異なる磁場（B_J, B_K, B_D）の下でのNéelベクトルの角度（α₁, α₂）に伴うエネルギー依存性をシミュレートし、ヒステリック挙動を再現した。
• Berry曲率分布の分析により、補償系と非補償系におけるAHEメカニズムの比較を行った。
• Raman分光法および複数の独立した手法を用いて、Néel転移温度（T_N）を正確に特定した。

Figure 1: Crystal structure of hexagonal MnTe, with cyan and yellow balls representing Mn atoms with arrows indicating magnetic moments. Violet arrow shows Néel vector orientation.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnTeのようなバルク一軸反強磁性体において、測定可能な異常ホール効果が弱いネット磁化と共存しうるか？
• RQ2 MnTeのAHEおよび磁化に観察されたヒステリック挙動の起源は何か？
• RQ3 有限なネット磁化が、反対方向のNéelベクトル状態間のdegeneracyをどのように破り、非ゼロのAHE信号を可能にするのか？
• RQ4 Dzyaloshinskii–Moriya型相互作用が、MnTeで観測されたヒステリック磁化およびAHEをどの程度説明できるか？
• RQ5 Berry曲率は、近似的にゼロのネット磁化を示す系においてAHEを可能にする役割を果たすが、完全に補償された反強磁性体とはどのように異なるのか？

主な発見

• バルクMnTeは、AHEのヒステリック挙動と相関する、わずかではあるが検出可能なネット磁化モーメントを示した。
• MnTeにおけるAHEは、残留磁化と同一の温度依存性を示し、Néel転移温度（T_N）を超えると両者とも消滅した。T_Nは複数の独立した手法により正確に決定された。
• Dzyaloshinskii–Moriya型相互作用を組み込んだ体系的マクロスピンモデルは、AHEおよび磁化のヒステリック挙動をうまく再現でき、DMI磁場（B_D）は数テスラのオーダーであった。
• モデルは、DMI磁場（B_D）や異方性磁場（B_K）を増加させるとヒステリシス幅が拡大することを予測しており、実験的温度依存性と整合的であった。
• Berry曲率の理論的解析から、Néelベクトルが完全にdegeneracyにない限り、ネット磁化がゼロであってもAHEが持続可能であることが示され、完全に補償された系とは明確な差異が生じる。
• 本研究では、MnTeにおけるAHEの発生に有限なネット磁化が必須ではないことが示されたが、実際の試料で観測可能な非ゼロのAHE信号を得るためには、Néelベクトルのdegeneracyを破るためにネット磁化が不可欠であることが明らかになった。

Figure 3: (a) Resistivity and magnetic susceptibility dependence on temperature of the studied hexagonal MnTe samples. (b) The peak in the first derivative of susceptibility $\mathrm{d}\chi/\mathrm{d}T$ and resistivity $\mathrm{d}\rho_{xx}/\mathrm{d}T$ at the Néel temperature.