[論文レビュー] Magnetoresistance driven by the magnetic Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition

Benedetta Flebus|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 47被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、二次元金属的フェリ磁性体において、ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トーリス（BKT）転移温度を超える領域で、電子がトポロジカルな磁気的欠陥（メロンおよびアンチメロン）散乱を受けることによって磁気抵抗が生じることを提案する。2流体モデルとボルツマン輸送理論を用いて、抵抗率がこれらの欠陥密度に指数関数的に比例することを示し、平面内磁場によって抑制される、巨大で温度依存性の強い磁気抵抗効果を予測する。

ABSTRACT

While the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition (BKT) has been under intense scrutiny for decades, unambiguous experimental signatures in magnetic systems remain elusive. Here, we investigate the interplay between electronic and magnetic degrees of freedom near the BKT transition. Focusing on a metal with easy-plane ferromagnetic order, we establish a framework that accounts both for the coupling between the charge current and the flow of topological magnetic defects and for electron scattering on their inhomogeneous spin texture. We show that electron scattering is responsible for a temperature-dependent magnetoresistance effect scaling as the density of the topological defects, which is expected to increase dramatically above the BKT transition temperature. Our findings call for further experimental investigations.

研究の動機と目的

• BKT転移付近における電子輸送とトポロジカル磁気的欠陥を結びつける理論的枠組みを確立すること。
• メロンおよびアンチメロンの不均一スピン構造における電子散乱が抵抗率に与える寄与を調査すること。
• BKT転移温度以上でトポロジカル欠陥が増殖することにより、測定可能な温度依存性の強い磁気抵抗が生じるかどうかを特定すること。
• 平面内磁場によるこの効果の抑制を検討し、実験的兆候としての可能性を提示すること。

提案手法

• 連続極限における2次元異方的容易面ヘイゼンベルグハミルトニアンをモデル化し、トポロジカル欠陥を伴うフェリ磁性秩序を記述する。
• 集団座標の力学を介して電子流体と磁気的欠陥流体を結合する2流体モデルを導入する。
• オンサッガーの対称性とボルツマン輸送理論を適用し、欠陥散乱および欠陥電流結合に起因する抵抗率補正を導出する。
• 相関長 ξ(T) = a₀exp(b/√τ) を用いて、TBKT以上で欠陥密度 n(T) ≈ ξ(T)⁻² を推定する。
• 抵抗率を ρₑ ∝ 1/τi + 1/τv として導出し、ここで τv は欠陥散乱の緩和時間である。
• 欠陥散乱が抵抗率を支配し、結果として TBKT 以上で ρₑ ∝ n(T) ∝ exp(2b/√τ) と比例することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元金属的フェリ磁性体におけるメロンおよびアンチメロンスピン構造への電子散乱は、電気抵抗率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 BKT転移温度を超える領域で、トポロジカル欠陥に起因する抵抗率補正の温度依存性は何か？
• RQ3 平面内磁場はBKT転移およびそれによる磁気抵抗効果をどのように抑制するか？
• RQ4 トポロジカル欠陥密度に比例する抵抗率のスケーリングは、磁気的BKT転移の検出可能な兆候として機能できるか？

主な発見

• メロンスピン構造への電子散乱に起因する抵抗率補正が、欠陥電流結合を上回り、ρₑ ∝ n(T) と比例する。
• 欠陥密度 n(T) は TBKT を超える領域で指数関数的に増加し、n(T) ≈ ξ(T)⁻² に従い、ξ(T) = a₀exp(b/√τ) である。
• その結果生じる磁気抵抗は ρ(B=0,T) − ρ(B,T) ∝ n(T) と比例し、巨大で温度依存性の強い増幅を示す。
• 平面内磁場はBKT転移および欠陥の増殖を抑制し、その結果抵抗率の増幅が減少する。
• 理論は、TBKT を超える領域で抵抗率が顕著に指数関数的に上昇することを予測し、磁気的BKT転移の明確な実験的兆候を提供する。
• この枠組みは、U(1)対称性を持つ他のスピン系およびトポロジカル欠陥を含む一般化が可能であり、スピン波やマグノンドラッグの導入も可能である。