[論文レビュー] Induced Monolayer Altermagnetism in MnP(S,Se)$_3$ and FeSe

I. I. Mazin, Rafael González‐Hernández+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Iron-based superconductors research被引用数 18

ひとこと要約

モノ層反強磁性 MnP(S,Se)3 および FeSe が、外部の対称性破れ（平面外電場、Janus化、基板）によって強いアルテル磁性へと機能化できることを示し、磁気光学およびトポロジー的特徴を伴うことを明示する。

ABSTRACT

Altermagnets (AM) are a recently discovered third class of collinear magnets, distinctly different from conventional ferromagnets (FM) and antiferromagnets (AF). AM have been actively researched in the last few years, but two aspects so far remain unaddressed: (1) Are there realistic 2D single-layer altermagnets? And (2) is it possible to functionalize a conventional AF into AM by external stimuli? In this paper we address both issues by demonstrating how a well-known 2D AF, MnP(S,Se)$_3$ can be functionalized into strong AM by applying out-of-plane electric field. Of particular interest is that the induced altermagnetism is of a higher even-parity wave symmetry than expected in 3D AM with similar crystal symmetries. We confirm our finding by first-principles calculations of the electronic structure and magnetooptical response. We also propose that recent observations of the time-reversal symmetry breaking in the famous Fe-based superconducting chalchogenides, either in monolayer form or in the surface layer, may be related not to an FM, as previously assumed, but to the induced 2D AM order. Finally, we show that monolayer FeSe can simultaneously exhibit unconventional altermagnetic time-reversal symmetry breaking and quantized spin Hall conductivity indicating possibility to research an intriquing interplay of 2D altermagnetism with topological and superconducting states within a common crystal-potential environment.

研究の動機と目的

• 現実的な二次元アルテル磁性が外部の対称性破れによって 2D 反強磁性体から作成可能かを検討する。
• MnP(S,Se)3 および FeSe のモノレイヤーにアルテル磁性的秩序を誘導する機能化ルート（電場、Janus化、基板効果）を実証する。
• 得られたスピン分裂の対称性とその磁気光学応答を特徴付ける。
• Fe系超伝導体における TRS 破れ観測との潜在的な関連性および FeSe におけるトポロジー的側面を評価する。
• 誘導アルテル磁性状態とその観測可能な結果に対する第一原理的な支持を提供する。

提案手法

• VASP を用いた第一原理密度汎関数計算（DFT）と WIEN2k との比較。
• 交換相関には GGA-PBE を用い、 Mn には DFT+U（U_eff ≈ 4 eV）を適用し、FeSe には経験的フェルミ化を模倣するため控えめな U を用いる。
• スピン軌道耦合を含めてバンド分裂と磁気光学応答を評価。
• Spin Hall 導電度を評価するため Wannier90 を用いて tight-binding 表現を構築。
• 対称性解析によりアルテル磁気のスピンチャネルと、2D での d- または i- 波形の可能性を特定。
• アルテル磁性秩序と観測信号を結ぶ磁気光学カー効果（MOKE）とスピンホール導電度を計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PT 対称性を破りつつアルテル磁性ミラーを保持することで、現実的な二次元アルテル磁性はモノレイヤー反強磁性体から実現可能か。
• RQ2 MnP(S,Se)3 および FeSe のモノレイヤーにアルテル磁性秩序を誘導する実用的なルート（電場ゲーティング、化学的 Janus化、基板インターフェース）は何か。
• RQ3 これらの 2D 系におけるアルテル磁気スプリットの対称性特性と角度依存性はどうなるか。
• RQ4 誘導されたアルテル磁性体は測定可能な磁気光学応答とトポロジ的輸送（量子スピンホール導電度など）を示すか。
• RQ5 FeSe ベース表面で観測される TRS 破れ信号は、鉄系超伝導体内の ferromagnetism ではなく誘導されたアルテル磁性で説明できるか。

主な発見

• 電場ゲーティングにより MnPSe3 で強いアルテル磁気スプリッティングが誘導され、約 ~25 meV まで達し、PT 対称性を破りつつ鏡像対称性を保持。
• Janus化（上下リガンドの不等性）により有意な Kerr 回転を伴うアルテル磁性バンド構造が生じ、最大 Kerr 角は約 0.4 度に達する。
• モノレイヤー FeSe は dx2−y2 型のアルテル磁気スプリッティングを有し、SOC は M 点でトポロジー的に非自明なギャップを開き、量子スピンホール導電度のプラトーを生む。
• SrTiO3 基板上の FeSe モノレイヤー、あるいは表面効果は、ferromagnetism を導入せずに EELS および MOKE 実験で観測される TRS 破れ信号を説明できる。
• FeSe における 2D アルテル磁性は量子スピンホールのシナリオと整合しており、アルテル磁性・トポロジー・超伝導性が同一の結晶ポテンシャル環境で相互作用する可能性を示唆。
• 本研究は Fe 系超伝導体における観測された TRS 破れ現象を誘導アルテル磁性と関連付け、2D におけるアルテル磁性トポロジーを探索する実用的平台を提案する。