[論文レビュー] Observation of Giant Band Splitting in Altermagnetic MnTe

Takayuki OSUMI, S. Souma+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2023

2D Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、光子エネルギーを調整可能な角度分解光電子分光法（ARPES）と第一原理計算を組み合わせることで、六方晶MnTeにおける巨大なアルタ磁性帯分裂の直接実験的証明を初めて行った。帯分裂は非高対称性モーメンタム点において最大0.8 eVに達し、スピン軌道結合ギャップ（約0.3 eV）を著しく上回っており、307 Kの高いネール温度を示すアルタ磁性系において時間反転対称性の破れに起因するスピン分裂が存在することを確認した。

ABSTRACT

We performed angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) on hexagonal MnTe, a candidate for an altermagnet with a high critical temperature (TN=307 K). By utilizing photon-energy-tunable ARPES in combination with first-principles calculations, we found that the band structure in the antiferromagnetic phase exhibits a strongly anisotropic band-splitting associated with the time-reversal-symmetry breaking, providing the first direct experimental evidence for the altermagnetic band-splitting. The magnitude of the splitting reaches 0.8 eV at non-high-symmetry momentum points, which is much larger than the spin-orbit gap of ~0.3 eV along the GK high-symmetry cut. The present result paves the pathway toward realizing exotic physical properties associated with the altermagnetic spin-splitting.

研究の動機と目的

• ゼロのネット磁化を持つが時間反転対称性が破れている材料において予測されているが未検証であったアルタ磁性帯分裂を、直接実験的に証明すること。
• ネール温度が307 Kに達する高T_Nのアルタ磁性候補である六方晶MnTeにおけるスピン分裂の性質と大きさを調査すること。
• 異なるスピン配置におけるARPESデータとDFT計算を比較することで、磁気モーメントの配向と運動量空間選択の曖昧さを解消すること。
• アルタ磁性材料における特異な量子現象（異常ホール効果やスピン電流生成など）を実現する基盤を確立すること。

提案手法

• 広い光子エネルギー範囲（60–170 eV）で六方晶MnTeのバルク帯構造をプローブするため、光子エネルギーを調整可能な角度分解光電子分光法（ARPES）を用いた。
• さまざまな温度での高分解能ARPES測定を実施し、帯分散およびスペクトル特徴の温度依存性を検討した。
• スピン軌道結合（SOC）を含む密度汎関数理論（DFT）計算を、異なる磁気配置（S∥aおよびS⊥a）およびk空間カットを用いて実施し、帯構造をモデル化した。
• エネルギー分布関数（EDC）の数値フィッティングを用いて帯分散を抽出し、理論的予測と比較した。
• k_z分散の分析により、観測された帯がバルク起源であることを確認した。周期性がバルクブリユアンゾーンと一致したため。
• EDCの温度依存シミュレーションを実施し、観測されたピークシフトの原因が熱的幅拡大やスペクトル強度変化によるものではないことを除外した。

Figure 1: (a),(b) Crystal structure and bulk hexagonal BZ of MnTe, respectively. Spin configuration for the $S_{a{\parallel}}$ case is indicated by red arrows in (a). (c) ARPES intensity maps at $T=40\textrm{ K}$ as a function of $k_{x}$ and $k_{y}$ at $E_{\textrm{B}}=E_{\textrm{F}}$ for $k_{z}\sim\

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロのネット磁化を持つが時間反転対称性が破れている材料において予測されているアルタ磁性帯分裂は、MnTeにおいて実験的に観測可能か？
• RQ2 MnTeにおける帯分裂の大きさと運動量空間依存性は何か？ また、スピン軌道結合ギャップと比較してどうなるか？
• RQ3 磁気モーメントの配向（a軸に沿うか垂直か）の選択が、ARPESで観測される帯分裂にどのように影響するか？
• RQ4 観測された帯分裂は電子構造に内在するものか、表面効果や実験的アーティファクトに起因するものか？
• RQ5 帯分裂は温度とともにどのように変化するか？ これにより交換分裂の性質について何が示唆されるか？

主な発見

• ARPES測定により、MnTeの反強磁性相において非高対称性モーメンタム点で最大0.8 eVの巨大帯分裂が観測された。これはΓK方向におけるスピン軌道結合ギャップ（約0.3 eV）を著しく上回っている。
• 帯分裂は強い異方性を示しており、アルタ磁性体における理論的予測と整合的である。ブリユアンゾーンの高対称ラインに沿って分裂ノードが予想される。
• 観測された帯分散はk_z方向に明確な周期性を示しており、帯のバルク起源を確認した。表面状態の支配的寄与を除外した。
• 異なるスピン配置（S∥aおよびS⊥a）およびk空間カットを用いたDFT計算では、実験的帯分裂は（S∥a, ΓK₂）または（S⊥a, ΓK₁）幾何配置で最もよく再現された。これにより磁気モーメントはa軸に沿って整列している可能性が高い。
• 温度依存ARPESにより、温度上昇に伴いフェルミ準拠ピークがより高い束縁エネルギーに系統的にシフトすることが判明した。これは熱的幅拡大のみでは説明できないため、交換分裂の内在的低下を示唆している。
• 明確なスペクトル強度変化の欠如と、二峰性を持つシミュレーテッドEDCとの不良適合により、観測されたシフトが機器的または外的要因によるものではなく、実際の交換分裂の低下を反映していることが確認された。

Figure 2: (a) Bulk BZ (top) and surface BZ (bottom) of MnTe, together with the $k$ cuts (blue solid lines) where calculations and ARPES measurements shown in (e)–(g) were carried out. (b),(c) Calculated band structure along the $\Gamma\textrm{L}$ cut in the AF phase without and with SOC, respectivel