[論文レビュー] Magnetic-field modulation of topological electronic states and emergent magneto-transport in a magnetic Weyl semimetal

Jianlei Shen, Jiacheng Gao+17 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、磁性ウェイル半金属EuB6におけるトポロジカル電子状態の磁場誘起モodulationを示しており、外部磁場が非同一磁性を誘起し、トポロジカルな反クロスバンドを折りたたみ、強いベリー曲率を生成し、巨大な非代替的アノーマルホール効果（UAHE）を駆動する。このUAHEは約5 kOeでピークに達する。磁場依存性STM/Sにより、実空間における磁性と運動量空間におけるトポロジーカの関係が明確に示され、トポロジカルスピントロニクスのためのチューナブルな磁気輸送が可能になる。

ABSTRACT

The modulation of topological electronic states by an external magnetic field is highly desired for condensed matter physics. Schemes to achieve this have been proposed theoretically, but few can be realized experimentally. Here, combining transverse transport, theoretical calculations, and scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/S) investigations, we provide an observation that the topological electronic states, accompanied by an emergent magneto-transport phenomenon, were modulated by applying magnetic fields through induced non-collinear magnetism in the magnetic Weyl semimetal EuB6. A giant unconventional anomalous Hall effect (UAHE) is found during the magnetisation re-orientation from easy axis to hard ones in magnetic fields, with a UAHE peak around the low field of 5 kOe. Under the reasonable spin-canting effect, the folding of the topological anti-crossing bands occurs, generating a strong Berry curvature that accounts for the observed UAHE. Field-dependent STM/S reveals a highly synchronous evolution of electronic density of states, with a dI/dV peak around the same field of 5 kOe, which provides evidence to the folded bands and excited UAHE by external magnetic fields. This finding elucidates the connection between the real-space non-collinear magnetism and the k-space topological electronic states and establishes a novel manner to engineer the magneto-transport behaviours of correlated electrons for future topological spintronics.

研究の動機と目的

• 磁性ウェイル半金属におけるトポロジカル電子状態の磁場による制御を実験的に示すこと。
• 実空間における非同一磁性と運動量空間におけるトポロジカルバンド構造との間の関係を確立すること。
• 磁場誘起磁化の再配列下で顕在する新たな磁気輸送現象、特に非代替的アノーマルホール効果（UAHE）を調査すること。
• 外部磁場を用いた相関電子輸送の工学的制御のための新規ルートを提供すること。

提案手法

• 変動磁場下での非代替的アノーマルホール効果（UAHE）を検出するための横方向輸送測定。
• 原子スケールでの磁場依存電子状態密度（DOS）をマップするための走査トンネル顕微鏡/分光法（STM/S）。
• スピンの傾き効果をモデル化し、非同一磁性下でのバンド折りたたみを予測する理論的計算。
• 印加磁場下での磁化の容易軸から硬軸への再配列を分析し、UAHE応答と相関づける。
• スピンの傾きモデルを用いて、折りたたまれたトポロジカルバンドから強力なベリー曲率が生じることを説明。
• STM/SにおけるdI/dVピークとUAHE最大値の相関を確認し、磁場誘起バンド再構成を裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場は、磁性ウェイル半金属であるEuB6におけるトポロジカル電子状態をどのようにモードレートするか？
• RQ2 磁場下で約5 kOeで観測された巨大な非代替的アノーマルホール効果（UAHE）の起源は何か？
• RQ3 磁場駆動によるスピンの傾きによって誘起される非同一磁性が、バンド折りたたみと強化されたベリー曲率をどれほど引き起こすか？
• RQ4 磁場チューニング下で、電子状態密度とトポロジカルバンド構造はどのように同期的に進化するか？
• RQ5 ナノスケールで、磁場誘起トポロジカル状態をプローブし、顕在する磁気輸送現象と相関づけることは可能か？

主な発見

• 巨大な非代替的アノーマルホール効果（UAHE）が約5 kOeでピークに達し、EuB6における磁化の容易軸から硬軸への再配列と一致する。
• 磁場依存性STM/Sにより、約5 kOeでdI/dVピークが観測され、バンド折りたたみに一致する電子状態密度の同期的進化が示された。
• 観測されたUAHEは、非同一磁性下でのトポロジカル反クロスバンドの折りたたみによって生じる強力なベリー曲率に起因する。
• 理論的モデリングにより、磁場下でのスピンの傾きがバンド折りたたみとベリー曲率の強化に必要な対称性の破れを誘導することが確認された。
• 本研究では、実空間における非同一磁性と運動量空間におけるトポロジカル電子状態との直接的な関連が確立された。
• 本研究の発見は、外部磁場を用いた相関電子系のトポロジカル材料における磁気輸送工学のための新規メカニズムを提供する。