[論文レビュー] Current-induced Orbital and Spin Magnetizations in Crystals with Helical Structure

Taiki Yoda, Takehito Yokoyama+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2015

Magnetic properties of thin films参考文献 30被引用数 134

ひとこと要約

本稿では、ヘリカル構造をとる結晶（Se や Te のヘリカル結晶など）において、ヘリカル軸に沿った電流を流すと、同じ軸方向に軌道磁化およびスピン磁化が誘導されることを提案している。タイトバインディングモデルを用いて、電流によって誘導されるスピン磁化が、フェルミ面における径方向のスピンテクスチャーに起因することを示しており、ラシュバ系で見られる横方向のスピン偏極とは対照的である。この効果はキラル性を示す：右ねじと左ねじのヘリスは、互いに逆の磁化を生じさせ、スピン軌道結合を必要としない軌道磁化を伴ってソレノイドの挙動を模倣する。

ABSTRACT

We theoretically show that in a crystal with a helical lattice structure, orbital and spin magnetizations along a helical axis are induced by an electric current along the helical axis. We propose a simple tight-binding model for calculations, and the results can be generalized to any helical crystals. The induced magnetizations are opposite for right-handed and left-handed helices. The current-induced spin magnetization along the helical axis comes from a radial spin texture on the Fermi surface. This is in sharp contrast to Rashba systems where the induced spin magnetization is perpendicular to the applied current.

研究の動機と目的

• ヘリカル結晶におけるヘリカル軸に沿った電流が、軸方向の軌道磁化およびスピン磁化を誘導することを示すこと。
• ヘリカル系における電流誘導スピン磁化の起源を、ラシュバ系とは対照的に明らかにすること。
• 鏡映対称性および逆転対称性を欠く任意の結晶に適用可能な一般枠組みを確立すること。
• 誘導された磁化がキラル性を示し、右ねじと左ねじのヘリスで磁化の符号が逆転することを示すこと。これはソレノイドの挙動を模倣する。
• 軌道磁化はスピン軌道結合がなくても生じるが、スピン磁化はそれを必要とすることを明確にすること。

提案手法

• 各サイトに1つのオービタルを持つ積層されたヘキサゴナル格子からなるヘリカル格子構造を持つ3次元タイトバインディングモデルを構築する。
• 隣接する層間の同一サブラット上でのヘリカル hopping 項を導入し、逆転対称性および鏡映対称性を破り、右ねじと左ねじのヘリスを区別する。
• ハミルトニアン H = t1∑⟨ij⟩c†icj + t2∑[ij]c†icj + ∆∑iξic†ici を用い、t2 項がヘリシティを記述し、∆ がスタグマーベッドポテンシャルを表す。
• z軸（ヘリカル軸）に沿った電場下での電流誘導磁化を計算するために、半古典的ボルツマン近似を適用する。
• 軌道磁化は、公式 Morb = 2∑n∫BZ d3k/(2π)3 fnk [mnk + e/ℏ(εF−εnk)Ωnk] を用いて計算し、mnk および Ωnk は波動関数の曲率から導出される。
• スピン軌道結合を導入するための Hso をモデルに拡張し、スピン依存の hopping を導入することで、電流誘導スピン偏極を研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘリカル軸に沿った電流が、ヘリカル結晶において同じ軸方向にネット磁化を誘導できるか？
• RQ2 ヘリカル系における電流誘導スピン磁化の起源は何か？また、ラシュバ系とはどのように異なるか？
• RQ3 ヘリシティ（右ねじ対比して左ねじ）は、誘導磁化の符号および大きさにどのように影響するか？
• RQ4 スピン軌道結合が存在しない状況でも、電流誘導軌道磁化は可能か？
• RQ5 この効果は、鏡映対称性および逆転対称性を欠く任意の結晶に一般化可能か？

主な発見

• 金属においてはヘリカル軸に沿った電流が、同じ軸方向にネット軌道磁化を誘導するが、絶縁体では絶対零度においては誘導されない。
• 動的空間の K–H および K′–H′ 線上に位置するディラックス点付近で、誘導された軌道磁化が著しく増幅される。
• 電流によって誘導されるスピン磁化は軸方向（電流と平行）であり、フェルミ面における径方向のスピンテクスチャーに起因する。これは、ラシュバ系で観察される横方向のスピン偏極とは対照的である。
• 右ねじと左ねじのヘリスでは、電流誘導磁化の符号が逆転し、ソレノイドにおける磁場の向きに類似した挙動を示す。
• 軌道磁化はスピン軌道結合がなくても誘導可能であるが、スピン磁化はそれを必要とする。
• 結果は、鏡映対称性および逆転対称性を欠く任意の結晶に一般化可能であり、キラル材料におけるスピントロニクス応用の可能性を示唆する。