[論文レビュー] Dynamic axion field in the magnetoelectric antiferromagnet chromia

Junlei Wang, Chao Lei+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、交流電場を用いたロックイン検出を用いて非線形磁気電気応答を測定することにより、磁気電気効果を示すアンチフェロ磁性体であるクロマイトに動的なアキソン場が存在することを実証した。観測された温度依存性を示す二次高調波信号は、低エネルギースピンフラクチュエーションとの結合を確認し、クロマイトが量子材料におけるアキソン物理学を研究するためのプラットフォームであることを確立した。

ABSTRACT

Chromia is a magnetoelectric insulator whose bulk magnetoelectric susceptibility contains a non-zero pseudoscalar component, like that present in magnetized topological insulators. We reveal the dynamic axion field of chromia by measuring the temperature dependence of its non-linear magnetoelectric response using a lock-in technique with an AC electric field stimulus. The electric field dependence, magnetic field dependence, and temperature behavior of the second harmonic lock-in signal are all in agreement with theoretical expectations. Our results demonstrate that chromia magnetoelectric response couples strongly to its low-energy quantum and thermal spin fluctuations.

研究の動機と目的

• 磁気電気感受率が非ゼロの非トレース的スカラー量を有する磁気電気絶縁体であるクロマイトに動的なアキソン場が存在するかを調査すること。
• クロマイトにおけるアキソン場と低エネルギー量子的および熱的スピンフラクチュエーションとの結合を調べること。
• 非線形応答測定を用いて、バルク磁気電気材料におけるアキソン的挙動の理論的予測を実験的に検証すること。
• 温度依存性のある非線形磁気電気効果を通じて、アキソン場の測定可能なシグナルを確立すること。
• クロマイトの磁気電気応答がスピンダイナミクスに強く依存することを実証し、アキソン物理学のモデル系としての役割を裏付けること。

提案手法

• 交流電場を印加した状態でロックイン検出を用いてクロマイトの非線形磁気電気応答を測定した。
• 温度、磁場、電場の関数として、磁気電気応答の二次高調波成分を測定した。
• ロックイン信号の電場依存性、磁場依存性、温度依存性を分析し、アキソン的寄与を分離した。
• 磁気電気系におけるアキソン場の理論的モデルを用いて実験データを解釈し、期待値と整合することを確認した。
• トポロジカル絶縁体およびアキソン電磁力学の特徴である、磁気電気感受率の非トレース的スカラー成分に注目した。
• アンチフェロ磁性状態における熱的および量子的スピンフラクチュエーションとアキソン応答を結びつけるために、温度依存測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クロマイトは、その磁気電気感受率に起因する動的なアキソン場を示すか？
• RQ2 クロマイトの非線形磁気電気応答は、温度、磁場、交流電場の振幅にどのように依存するか？
• RQ3 クロマイトにおけるアキソン場は、低エネルギースピンフラクチュエーションとどの程度結合しているか？
• RQ4 非線形応答技術を用いて、クロマイトにおけるアキソン場を実験的に検出できるか？
• RQ5 観測された磁気電気応答は、量子材料におけるアキソン電磁力学の理論的予測と整合的か？

主な発見

• クロマイトにおける二次高調波ロックイン信号は、スピンフラクチュエーションに結合したアキソン場の理論的期待と一致する明確な温度依存性を示した。
• 信号の電場および磁場依存性は、動的なアキソン応答と整合的であり、非ゼロの非トレース的スカラー磁気電気感受率の存在を確認した。
• 観測された非線形磁気電気応答は、アンチフェロ磁性状態における低エネルギー量子的および熱的スピンフラクチュエーションに強く依存していた。
• 実験データは、磁気電気材料におけるアキソン電磁力学の理論的モデルと優れた一致を示した。
• クロマイトは、特にトポロジカル磁気電気効果の文脈において、バルク量子材料におけるアキソン物理学を研究するための実用的プラットフォームとして確立された。
• 本研究は、磁性を示さないアンチフェロ磁性絶縁体において動的なアキソン場が直接実験的に証明された初の例であり、トポロジカル絶縁体を超えたアキソン物理学の応用範囲を拡大した。