[論文レビュー] Magnetically Switchable Light-Matter Interaction in the Two-Dimensional Magnet CrI3

Yang Zhang, Tobias Holder+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2019

2D Materials and Applications参考文献 58被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、電気分極ではなく磁気秩序によって動運動反転対称性を破ることで、二酸化クロムジプロピルイオン（CrI3）における巨大でスイッチ可能な光電流を生成する磁気光ガルバニック効果（MPGE）を提案する。この効果は磁気秩序に起因するバンド構造の非対称性に起因し、二層反強磁性相において光電流の方向と大きさを磁場を用いずに逆転可能に制御可能である。

ABSTRACT

Coupling different physical properties is a fascinating subject of physics. Already well-known are the multiferroics which show properties of ferroelectrics and magnets. But ferroelectricity by itself also entails the bulk photovoltaic effect, a light-matter interaction which generates dc currents. Here we propose a magnetic photogalvanic effect that couples the magnetism to the light-matter interaction. This phenomenon emerges from the $\mathbf{k}$ to $\mathbf{-k}$ symmetry-breaking in the band structure and does not require a static polarization. It is distinct from other known bulk photovoltaic mechanisms such as the shift current. We demonstrate such phenomena in a newly discovered layered magnetic insulator CrI$_3$. A record photoconductivity response (more than 200 $μA V^{-2} $) is generated under the irradiation of a visible light in the antiferromagnetic phase. The current can be reversed and switched by controllable magnetic phase transitions. Our work paves a new route for photovoltaic and optoelectronic devices and provides a sensitive probe for the magnetic transition.

研究の動機と目的

• 電気分極や逆転対称性の破れを必要としない、体積光電効果を生成する新たなメカニズムの同定。
• CrI3における磁気秩序が、運動反転対称性の破れを介して大規模でスイッチ可能な光電流を誘発できることの実証。
• 磁気光ガルバニック効果（MPGE）が、磁性2次元材料における特徴的なトポロジカル光電流応答として明確に区別されることの確立。
• 光電流の方向と振幅が強磁性相と反強磁性相の間の磁気遷移を制御することで、逆転可能に制御できることの示唆。
• スピン軌道結合およびバンド構造トポロジーが、非中心対称磁性系において強い共鳴的光電流を可能にする役割の解明。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）を用いたFPLOコードによる密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、電子バンド構造およびWannier関数を取得。
• 投影されたWannier関数に基づき、68バンドを有するタイトバインディングハミルトニアンを構築し、CrI3の電子構造を正確にモデル化。
• 線形応答理論を用いた光電流計算に、速度演算子の行列要素と緩和時間近似を組み込む。
• 2次元ブリユアンゾーンにおいて400×400のkポイントグリッドを用いて光伝導度テンソルを評価し、960×960での収束性を検証。
• トポロジカルおよび磁気的効果が光電流に与える影響を捉えるために、自己無撞撃的にスピン軌道結合を組み込む。
• 強磁性および反強磁性二層相における光電流応答の分析およびさまざまな電場下での評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気分極が存在しない2次元磁性絶縁体において、磁気秩序が大規模でスイッチ可能な光電流を誘発できるか？
• RQ2 磁気光ガルバニック効果（MPGE）は、従来のシフト電流やスピンガルバニック効果と比べて、対称性およびメカニズムの面でどのように異なるか？
• RQ3 CrI3の反強磁性相において、スピン軌道結合が光電流の大きさを強化する役割を果たすか？
• RQ4 磁気相転移を制御することで、光電流の方向と振幅を逆転可能に制御できるか？
• RQ5 MPGEは、時間反転対称性および逆転対称性が破れている他の2次元または3次元磁性材料へ一般化可能か？

主な発見

• 反強磁性二層CrI3は、可視光領域において10^4 S/mオーダーの非常に大きな光電流を示し、これまで報告された結果よりも顕著に高い光伝導度を示す。
• 光電流は、電気分極やシフト電流とは異なり、磁気秩序に起因するキャリア速度の非対称性に起因する磁気光ガルバニック効果（MPGE）によって生成される。
• 反強磁性相から強磁性相への遷移によって、光電流を完全にオフにでき、磁気的制御による電流のオン・オフ制御が可能であることを示した。
• 反強磁性相におけるスピンの向きを反転させることで、光電流の方向を逆転させることができ、外部磁場を用いずに電気的スイッチングが可能である。
• MPGEは中程度の電場（最大0.005 V/a.u.）下でも安定であり、対称性保護トポロジカル特徴が摂動を受けても依然として強い。
• MPGEは、強いスピン軌道結合と保存されたPT対称性を有するCr2Ge2Te6やMn2Auを含む、他の2次元および3次元磁性材料へも拡張可能であると予測される。