[論文レビュー] Kramers Weyl Semimetals as Quantum Solenoids

Wen‐Yu He, K. T. Law|arXiv (Cornell University)|May 29, 2019

Magnetic properties of thin films被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、キラル格子を有するクラマース・ウェーラー半金属（KWS）が、特異な縦方向磁気電気効果により、ナノスケールの量子ソレノイドとして機能することを提案している。この効果により、電流が流れるとスピンと軌道磁化が電流方向に平行に誘起される。ウェーラー点付近では、大きなベリー曲率が軌道磁化を強化し、フェロ磁性体へのスピンおよび軌道角運動量の同時転送を可能にし、垂直磁気異方性磁性体における完全な電気的制御による磁化反転を実現する。

ABSTRACT

Recently, Kramers Weyl semimetals (KWS) with chiral lattice structures and Weyl points pinned at time-reversal invariant momenta have been discovered. In this work, we show that the chiral lattice symmetry brings KWS the unique longitudinal magnetoelectric response in which the charge current induced spin and orbital magnetization is parallel to the direction of the current. This feature allows KWS to act as nanoscale quantum solenoids with both orbital and spin magnetization. Importantly, near the Kramers Weyl points, the orbital contribution to the magetization can be large due to the large Berry curvatures near the Weyl points. As a result, when electrons of KWS are injected into a ferromagnet, both the orbital and spin angular momentum carried by the electrons can generate torques for magnetization switching in the ferromagnet. We further point out that the properties of KWS allow new designs of spin-orbit torque devices with all electric control of magnetization switching for magnets with perpendicular magnetic anisotropy.

研究の動機と目的

• キラル格子を有するクラマース・ウェーラー半金属における磁気電気効果を調査すること。
• キラル格子対称性が特異な縦方向磁気電気効果を可能にするメカニズムを理解すること。
• ウェーラー点付近における大きなベリー曲率が軌道磁化をどのように強化するかを調査すること。
• KWSがフェロ磁性体にスピンおよび軌道トルクを生成する可能性を実証すること。
• 垂直磁気異方性を有するスピン軌道トルクデバイスの新しい設計を提案すること。

提案手法

• キラル格子構造を有するKWSにおける磁気電気効果の理論的分析。
• 縦方向磁気電気テンソルの計算により、電流誘起磁化が電流方向と平行に整列することを示した。
• ウェーラー点付近での軌道磁化強化を定量化するためのベリー曲率の中心的役割の使用。
• KWSからフェロ磁性体への電子注入をモデル化し、スピンおよび軌道角運動量の転送を評価した。
• 垂直磁気異方性を有するフェロ磁性体における磁化反転のためのトルク式の導出。
• 時間反転不変KWSにおける特異な縦方向応答を同定するための対称性およびトポロジーの原則の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラマース・ウェーラー半金属におけるキラル格子対称性は、どのように縦方向磁気電気効果を生じさせるか？
• RQ2 ウェーラー点付近におけるベリー曲率の役割は、どのように軌道磁化を強化するか？
• RQ3 KWSからフェロ磁性体へのスピンおよび軌道角運動量を同時に効率的に転送できるか？
• RQ4 KWSにおける磁気電気効果は、どのように磁化反転の完全な電気的制御を可能にするか？
• RQ5 垂直磁気異方性を有するKWSに基づくスピン軌道トルクデバイスの設計原則は何か？

主な発見

• KWSにおけるキラル格子対称性が、電流誘起磁化が電流方向と平行に整列する特異な縦方向磁気電気効果を誘起する。
• ウェーラー点付近では、大きなベリー曲率が磁化の軌道的寄与を顕著に強化する。
• KWSからフェロ磁性体への電子注入により、一貫して運ばれる角運動量のおかげで、スピンおよび軌道トルクが生成される。
• スピンおよび軌道トルクの併用により、垂直磁気異方性を有するフェロ磁性体における効率的かつ完全な電気的磁化反転が可能になる。
• この系は、外部磁場が不要なナノスケールの量子ソレノイドとして機能し、スピンおよび軌道磁化を両方とも支持する。