[論文レビュー] Direct observation of altermagnetic band splitting in CrSb thin films

Jourdan, Martin|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、スピン統合ソフトX線角度分解光電子分光法（SX-ARPES）を用いて、CrSb薄膜におけるアルタ磁性帯分裂の初めての直接実験的観測が行われた。研究者たちはフェルミ準拠近くで約0.6 eVの大きなスピン分裂を観測し、理論的予測を確認するとともに、高速で外部磁場に依存しないスピントロニクス素子に応用可能な、頑健な時間反転対称性の破れを示した。

ABSTRACT

Altermagnetism represents an emergent collinear magnetic phase with compensated order and an unconventional alternating even-parity wave spin order in the non-relativistic band structure. We investigate directly this unconventional band splitting near the Fermi energy through spinintegrated soft X-ray angular resolved photoemission spectroscopy. The experimentally obtained angle-dependent photoemission intensity, acquired from epitaxial thin films of the predicted altermagnet CrSb, demonstrates robust agreement with the corresponding band structure calculations. In particular, we observe the distinctive splitting of an electronic band on a low-symmetry path in the Brilliouin zone that connects two points featuring symmetry-induced degeneracy. The measured large magnitude of the spin splitting of approximately 0.6 eV and the position of the band just below the Fermi energy underscores the signifcance of altermagnets for spintronics based on robust broken time reversal symmetry responses arising from exchange energy scales, akin to ferromagnets, while remaining insensitive to external magnetic fields and possessing THz dynamics, akin to antiferromagnets.

研究の動機と目的

• 予測されたアルタ磁性材料であるCrSbにおけるアルタ磁性帯分裂の実験的検証。
• 実材料系におけるスピン分離帯のフェルミエネルギーに対する大きさと位置の特定。
• 三次元電子系において、理論的バンド構造予測と実験的光電子分光データの直接的関連の確立。
• 外部磁場に対する耐性を含めたスピン分離の本質的性質を調べることで、アルタ磁性体のスピントロニクス応用可能性の評価。
• SX-ARPESを用いて、ブリユアンゾーンの低対称領域における運動量依存バンド分裂を解明する可能性の実証。

提案手法

• エピタキシャルCrSb薄膜は、PbSb(110)基板上でのパulsed レーザー蒸着と、約400 °Cでのインスイットアニーリングを用いて成長した。
• 構造的品質は、反射高エネルギー電子線回折（RHEED）、X線回折、および透過電子顕微鏡によって確認された。
• スピン統合ソフトX線角度分解光電子分光法（SX-ARPES）は、スイス光科学研究所のADRESSビームラインで12 Kで実施され、光子エネルギーは320 eVから1000 eVの範囲であった。
• データ解析には、ARPESViewソフトウェアを用いたバックグラウンド除去、k_z = 0軸に沿ったスペクトルの対称化、およびImageJにおけるラプラシアンフィルタを用いた強調処理が行われた。
• ab initioバンド構造計算は、VASPを用い、PBE+SOC関数を用い、6×6×5のkグリッドと磁気相の収束基準10⁻⁵ eVを設定した。
• 理論的結果は、実験的SX-ARPESデータと直接比較され、アルタ磁性帯分裂の存在と大きさの妥当性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SX-ARPESを用いて、CrSb薄膜におけるアルタ磁性帯分裂を直接観測できるか？
• RQ2 フェルミ準拠近くのCrSbの電子状態におけるスピン分裂の大きさは何か？
• RQ3 実験的に観測されたバンド構造は、ab initio計算と定量的にどの程度一致するか？
• RQ4 スピン分裂はフェルミ準拠近くに頑健かつ局在的に存在するか？これは実用的スピントロニクス応用に不可欠である。
• RQ5 観測された分裂は、ブリユアンゾーンの低対称領域における対称性に起因する degeneracy 点で発生しているか？

主な発見

• 角度依存光電子強度の実験的測定において、特にブリュージャンゾーンの低対称経路に沿って、明確で頑健なバンド分裂が観測された。
• 約0.6 eVの大きなスピン分裂が直接観測され、分裂帯はフェルミエネルギーのわずか下に位置していた。
• 測定されたバンド構造は、スピン軌道結合を含むスピン密度汎関数理論に基づくab initio計算と良好に一致した。
• バンド分裂は、時間反転対称性の破れが存在しない状況下で、対称性に起因するデジェネラシー点で観測され、理論的予測であるアルタ磁性分裂の確認が得られた。
• 結果から、CrSbはフェルミ面近傍の伝導帯で、強力な交換駆動スピン分裂を有しており、そのエネルギースケールはフェリ磁性体と同等であるが、外部磁場に対して感度が低いことが示された。
• 観測結果は、アルタ磁性体がフェルミ面近傍の伝導帯で大きなスピン分離効果を支持できることを確認し、超高速で外部磁場に依存しないスピントロニクス素子への応用可能性を示した。