[論文レビュー] Crystal Hall effect in Collinear Antiferromagnets

Libor Šmejkal, Rafael González‐Hernández+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、非中心対称なサイトに配置された非磁性原子と非対称スピン軌道結合（ASOC）に起因する、反強磁性体における新規な結晶ホール効果（CHE）を提案する。この効果は、ネット磁化モーメントに依存せず、時間反転対称性を破る。室温におけるRuO₂では大きなホール電導度が発生し、結晶ホモトロピーを用いた符号制御が可能であり、エネルギー損失のないスピントロニクス素子への新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

Electrons, commonly moving along the applied electric field, acquire in certain magnets a dissipationless transverse velocity. This spontaneous Hall effect, discovered more than a century ago, has been understood in terms of the time-reversal symmetry breaking by the internal spin-structure of a ferromagnetic, noncolinear antiferromagnetic or skyrmionic form. Here we identify previously overlooked robust Hall effect mechanism arising from collinear antiferromagnetism combined with nonmagnetic atoms at non-centrosymmetric positions. We predict a large magnitude of this crystal Hall effect in a room-temperature collinear antiferromagnet RuO$_2$ and catalogue, based on our symmetry rules, extensive families of material candidates. We show that the crystal Hall effect is accompanied by the possibility to control its sign by the crystal chirality. We illustrate that accounting for the full magnetization density distribution instead of the simplified spin-structure sheds new light on symmetry breaking phenomena in complex magnets and opens an alternative avenue towards quantum materials engineering for low-dissipation nanoelectronics.

研究の動機と目的

• ネット磁化モーメントやスピン回転対称性の破れに依存しない、共線反強磁性体における自発的ホール効果の新規メカニズムの同定。
• 非中心対称な位置に配置された非磁性原子が、非対称スピン軌道結合（ASOC）を介して時間反転対称性を破ることの実証。
• 結晶ホール効果（CHE）を支持する材料の対称性に基づく分類の確立と候補材料の予測。
• 磁気構造を固定したまま、結晶ホモトロピーを反転させることでホール電導度の符号を反転させられることの示唆。
• スピンベクトルのみでなく、磁化密度分布全体—特にその非対称性—が複雑な磁性体における対称性の破れを理解するために不可欠であることを明らかにすること。

提案手法

• 共線反強磁性体における許容されるホール電導度成分の分類を目的とした、磁気空間群（MSG）および磁気ラウエ群（MLG）に基づく理論的枠組みの構築。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用い、RuO₂ や Co₁/₃NbS₂ などの材料におけるスピン軌道結合（SOC）を含むホール電導度テンソルの計算。
• 結晶ホール効果（CHE）を、非磁性原子の配置（反転対称性の破れ）とASOCの相乗作用に起因すると定義。
• 磁気モーメントの向きとは独立してホール応答の符号を制御できる「結晶ホモトロピー」を、トポロジカル自由度として導入。
• 磁化密度分布の非対称性を分析し、スピン構造のみのモデルではCHEを予測できないことを示唆。
• 対称性則とMagnDataデータベースを用いて候補材料のリストを作成し、RuO₂ と Co₁/₃NbS₂ が強く候補となることを特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共線反強磁性体において、ネット磁化モーメントや非共線スピン構造が存在しない場合に、自発的ホール効果が存在しうるか？
• RQ2 非中心対称な位置に配置された非磁性原子が、反強磁性体における時間反転対称性の破れに果たす役割は何か？
• RQ3 磁気秩序を維持したまま、結晶ホモトロピーの反転によってホール電導度の符号を制御できるか？
• RQ4 スピンベクトルモデルを超えて、磁化密度分布全体がホール効果の出現に与える影響は何か？
• RQ5 対称性および電子構造に基づいて、大規模な結晶ホール効果を示すと予測される材料は何か？

主な発見

• RuO₂では結晶ホール効果（CHE）が大きく予測され、[100]方向における計算されたホール電導度は約1000 (e²/h)に達し、エネルギー損失のない輸送が顕著に示唆される。
• CHEは、非中心対称なサイトに配置された非磁性原子に起因する非対称スピン軌道結合（ASOC）に起因し、ネット磁化モーメントがなくても時間反転対称性を破る。
• Co₁/₃NbS₂では、結晶ホモトロピーを左から右に反転させると、ホール電導度の符号が反転する。これは、効果のホモトロピー制御の明確な証明である。
• ネールベクトルを反転させてもホール電導度は安定に保たれ、効果が磁気秩序そのものではなく、結晶ホモトロピーに起因することを確認する。
• 標準的なスピンベクトル投影モデルではCHEを予測できないことが判明し、磁化密度分布全体の取り扱いが不可欠であることが示された。
• 対称性則を用いた包括的な候補材料のリストが確立され、実験的実現の観点からRuO₂ と Co₁/₃NbS₂ が最良の候補と特定された。