[論文レビュー] Macroscopic time reversal symmetry breaking by staggered spin-momentum interaction

Helena Reichlová, Rafael Lopes Seeger+18 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2020

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、反強磁性体Mn₅Si₃において、反強磁性秩序を持つ四原子格子の配置を示すスピン運動量相互作用が、運動量空間に互いに逆向きのスピン分離を持つ二つの谷を誘起することで、巨視的時間反転（T）対称性の破れを示している。第一原理計算と自発的ホール効果の実験的測定により、磁化がゼロであるにもかかわらずT対称性が破れた状態が出現することが確認され、相対論的でない低Z材料においてもトポロジカルな量子状態を実現可能とする。

ABSTRACT

Time-reversal (T) symmetry breaking is a fundamental physics concept underpinning a broad science and technology area, including topological magnets, axion physics, dissipationless Hall currents, or spintronic memories. A best known conventional model of macroscopic T-symmetry breaking is a ferromagnetic order of itinerant Bloch electrons with an isotropic spin interaction in momentum space. Anisotropic electron interactions, on the other hand, have been a domain of correlated quantum phases, such as the T-invariant nematics or unconventional superconductors. Here we report discovery of a broken-T phase of itinerant Bloch electrons with an unconventional anisotropic spin-momentum interaction, whose staggered nature leads to the formation of two ferromagnetic-like valleys in the momentum space with opposite spin splittings. We describe qualitatively the effect by deriving a non-relativistic single-particle Hamiltonian model. Next, we identify the unconventional staggered spin-momentum interaction by first-principles electronic structure calculations in a four-sublattice antiferromagnet Mn5Si3 with a collinear checkerboard magnetic order. We show that the staggered spin-momentum interaction is set by nonrelativistic spin-symmetries which were previously omitted in relativistic physics classifications of spin interactions and topological quasiparticles. Our measurements of a spontaneous Hall effect in epilayers of antiferromagnetic Mn5Si3 with vanishing magnetization are consistent with our theory predictions. Bloch electrons with the unconventional staggered spin interaction, compatible with abundant low atomic-number materials, strong spin-coherence, and collinear antiferromagnetic order open unparalleled possibilities for realizing T-symmetry broken spin and topological quantum phases.

研究の動機と目的

• 常識的な強磁性とは異なる、拡散電子系における巨視的時間反転対称性の破れを示す新規メカニズムの同定。
• 非相対論的で不規則なスピン運動量相互作用が、非相対論的材料におけるT対称性破れ電子状態を生成する役割を解明すること。
• このような対称性の破れが、磁化がゼロである一次元反強磁性体においても発生可能であり、トポロジカル量子材料への新たな道筋を提供すること。
• 外延的Mn₅Si₃薄膜における異常なスピン運動量結合と測定可能な巨視的ホール効果との関連を確立すること。
• 本メカニズムが豊富に存在する低原子番号の材料と強いスピンコherenecyを併せ持つことの可能性を示し、トポロジカルスピントロニクスへのスケーラブルな道筋を提供すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）を用いた第一原理電子状態計算により、四原子格子の一次元チェッカーボード反強磁性秩序を示すMn₅Si₃における不規則なスピン運動量相互作用を同定する。
• 非相対論的単粒子ハミルトニアンモデルを導出し、非標準的なスピン運動量結合およびその谷にロックされたスピン分離を定性的に記述する。
• 分子線エpitaxy法を用いたSi基板上へのMn₅Si₃薄膜のエピタキシャル成長を実施し、室温および低温でのX線回折（XRD）を用いた構造的特徴付けを実施する。
• 光学リソグラフィーとアルゴンプラズマエッチングを用いてホールバー型デバイスをフォーマットし、縦方向および横方向抵抗を同時に取得する磁気輸送測定を実施する。
• コシーフィッティングを用いて横方向抵抗の対称的（通常ホール効果）および非対称的（異常ホール効果およびトポロジカルホール効果）成分を分離し、異常ホール寄与を抽出する。
• 低温XRDおよびSQUID磁化測定を実施し、構造的および磁気的性質（特に、抗磁性基板寄与および磁場依存磁化）を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不規則なスピン運動量相互作用を介して、磁化がゼロで一次元反強磁性体であるMn₅Si₃において、巨視的時間反転対称性が破れるか？
• RQ2 非相対論的スピン対称性は、標準的な相対論的分類法では捉えきれない非標準的なスピン運動量結合を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 このような不規則な相互作用によって、磁化がゼロの状態でも自発的ホール効果が出現するか？
• RQ4 運動量空間における逆向きのスピン分離を持つ谷構造が、巨視的輸送応答にどのように影響を与えるか？
• RQ5 本メカニズムは、豊富に存在する低原子番号の材料と強いスピンコherenceを併せ持つ状況で、どの程度実現可能か？

主な発見

• Mn₅Si₃における不規則なスピン運動量相互作用により、運動量空間にスピン分離が逆向きの二つの強磁性的性質を示す谷が生成され、巨視的時間反転対称性が破れる。
• 第一原理DFT計算により、この非標準的相互作用が存在することが確認され、従来のトポロジカル分類スキームで無視されていた非相対論的スピン対称性に起因することが判明した。
• 磁化がほぼゼロのMn₅Si₃エpi層で測定された自発的ホール効果は5–20 S/cmに達し、結晶品質と相関しており、理論的予測を裏付けた。
• コシーフィッティングにより抽出された異常ホール抵抗率の振幅は明確な信号を示し、追加のバンプ状特徴はトポロジカルホール寄与を示唆している。
• 低温XRDにより、Mn₅Si₃の六方晶相がc軸に沿って優勢に成長していることが確認され、エピタキシャル薄膜の構造的整合性が裏付けられた。
• SQUID磁化測定により、磁化が存在しないことが確認され、小さな磁場における抗磁性基板寄与は無視可能であり、反強磁性基底状態が妥当であることが検証された。