[論文レビュー] Large anomalous Nernst effect in a van der Waals ferromagnet Fe$_3$GeTe$_2$

Jinsong Xu, W. Adam Phelan+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

2D Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、2次元のファンデルワールス強磁性体Fe₃GeTe₂において、大きな異常ネルンスト効果が報告されている。異常ネルンスト角と異常ホール角はそれぞれ0.09および0.07に達し、これは従来の強磁性体と比較して顕著に大きい。この効果はフェルミ準位近くに大きなベリー曲率が存在することに起因しており、トポロジカル性を示しており、Fe₃GeTe₂がスピンカロリトロニクス応用に向けた可能性を有するトポロジカルノードライン半金属であると考える根拠となっている。

ABSTRACT

Anomalous Nernst effect, a result of charge current driven by temperature gradient, provides a probe of the topological nature of materials due to its sensitivity to the Berry curvature near the Fermi level. Fe3GeTe2, one important member of the recently discovered two-dimensional van der Waals magnetic materials, offers a unique platform for anomalous Nernst effect because of its metallic and topological nature. Here, we report the observation of large anomalous Nernst effect in Fe3GeTe2. The anomalous Hall angle and anomalous Nernst angle are about 0.07 and 0.09 respectively, far larger than those in common ferromagnets. By utilizing the Mott relation, these large angles indicate a large Berry curvature near the Fermi level, consistent with the recent proposal for Fe3GeTe2 as a topological nodal line semimetal candidate. Our work provides evidence of Fe3GeTe2 as a topological ferromagnet, and demonstrates the feasibility of using two-dimensional magnetic materials and their band topology for spin caloritronics applications.

研究の動機と目的

• Fe₃GeTe₂における異常ネルンスト効果を調査すること。これは、トポロジカル性を有する可能性を示す2次元のファンデルワールス強磁性体である。
• 温度勾配への応答を通じて、Fe₃GeTe₂のトポロジカル性を解明すること。
• 非自明なバンドトポロジーやトポロジカル性を有する2次元磁性体がスピンカロリトロニクス応用に適しているかどうかを評価すること。
• この材料における異常ネルンスト効果の大きさと、ベリー曲率との関係を特定すること。

提案手法

• 剥離したFe₃GeTe₂ナノスケールフレークにおいて、外部からの温度勾配を印加した状態で異常ネルンスト電圧を測定すること。
• モットの関係式を用いて、異常ネルンスト角およびホール角からベリー曲率を抽出すること。
• 機械的剥離法で得たFe₃GeTe₂フレーク上にホールバー型デバイスを作製し、電気的輸送特性を測定すること。
• 温度依存の輸送データの解析により、通常のネルンスト効果からの異常ネルンスト寄与を分離すること。
• 実験的角速度と、トポロジカルノードライン半金属の理論的予測を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe₃GeTe₂における異常ネルンスト効果の大きさは何か？また、従来の強磁性体と比較してどう異なるか？
• RQ2 Fe₃GeTe₂における異常ネルンスト効果は、フェルミ準位付近のベリー曲率とどのように関係しているか？
• RQ3 最近の理論的提案によると、Fe₃GeTe₂はトポロジカルノードライン半金属であるとされているが、その真偽はいかがなものか？
• RQ4 Fe₃GeTe₂に顕著な異常ネルンスト効果が見られるのは、その内在的なトポロジカル電子構造に起因しているとみなせるか？
• RQ5 Fe₃GeTe₂の異常ネルンスト応答に基づいて、スピンカロリトロニクス応用にどのような可能性が示唆されるか？

主な発見

• Fe₃GeTe₂における異常ネルンスト角は0.09に達し、従来の強磁性体の典型的な値と比較して顕著に大きい。
• 異常ホール角は約0.07に測定され、強いスピン軌道結合および非自明なバンドトポロジーカの存在を示している。
• 顕著な異常ネルンスト角およびホール角は、フェルミ準位付近に大きなベリー曲率が存在することを裏付けている。
• 観測された輸送応答は、理論的予測であるFe₃GeTe₂がトポロジカルノードライン半金属であるという仮説を支持している。
• 本研究の結果は、非自明なトポロジーカを有する2次元磁性体がスピンカロリトロニクス応用に実現可能であることを示している。