[論文レビュー] Observation of non-volatile anomalous Nernst effect in altermagnet with collinear Néel vector

Lei Han, Xizhi Fu+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2024

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、コリニアル Néelベクトルを有するアルテル磁性 Mn5Si3 における非揮発性異常 Nernst 効果（ANE）の観測を報告し、Berry-curvature駆動のANEと Mn ドープによるフェルミ準位依存の増強を示す。

ABSTRACT

Anomalous Nernst effect (ANE), a widely investigated transverse thermoelectric effect that converts waste heat into electrical energy with remarkable flexibility and integration capability, has been extended to antiferromagnets with non-collinear spin texture recently. ANE in compensated magnet with collinear Néel vector will bring more opportunities to construct magnetic-field-immune and ultrafast transverse thermoelectric converters, but remains unachieved for long. It is due to the degenerated band structure of traditional collinear compensated magnet excludes non-zero Berry curvature. Here, we realize non-volatile ANE in altermagnet Mn5Si3 thin film with collinear Neel vector, whose unique alternating spin-splitting band structure plays vital role in creating non-zero Berry curvature and hotpots of anomalous Nernst conductivity near band intersections. Interestingly, ANE is relatively weak in stoichiometric Mn5Si3, but undergoes a sixfold enhancement through strategically raising the Fermi level by additional Mn doping, indicating sensitive intrinsic influence from specific location of the Fermi level on ANE in altermagnet. Moreover, our investigation reveals a unique Neel-vector-dependent temperature-scaling relationship of anomalous Nernst conductivity in Mn5Si3. Our work not only fills a longstanding gap by confirming the presence of non-volatile ANE in collinear compensated magnet, but also enlightens thermoelectric physics related to exotic spin-splitting band structure in altermagnet.

研究の動機と目的

• コリニアル補償磁性体における異常 Nernst 効果（ANE）の探索を動機づけ、磁場に免疫な超高速熱電変換を達成する。
• コリニアル Néelベクトルを有する Mn5Si3 薄膜における非揮発性 ANE の実証。
• このアルテル磁性体における Mn ドーピングによるフェルミ準位調整が ANE の量に与える影響を示す。

提案手法

• フェルミ準位を調整するために、Mnドーピングを制御した Mn5Si3 薄膜を実験的に成長させる。
• 異常 Nernst 導電率を測定し、それをスピン分裂バンド構造とバンド交差近傍の Berry 曲率ホットスポットに関連づける。
• Néelベクトルの指向性と温度に対するANEの依存性を分析し、スケーリング挙動を明らかにする。
• Stoichiometric Mn5Si3 とドープ済みサンプルを比較して、フェルミ準位位置に対するANEの固有感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コリニアル補償磁性体における非揮発性 ANE を実現できるか（アルテル磁性スピン分裂バンドを持つ場合）？
• RQ2 Mn5Si3 における独特な交互のスピン分裂バンド構造が Berry curvature と ANE にどのように影響するか？
• RQ3 Mn ドーピングによるフェルミ準位のシフトが ANE の大きさに与える影響は？
• RQ4 Mn5Si3 における Néelベクトル依存の温度スケーリングは存在するか？

主な発見

• 非揮発性 ANE は、コリニアル Néelベクトルを有する Mn5Si3 薄膜で実現されている。
• アルテル磁性体のスピン分裂バンド構造は非零の Berry curvature とバンド交差近傍の Nernst 導電率ホットスポットを生み出す。
• ANE は標準組成 Mn5Si3 では弱いが、 Mn ドーピングによるフェルミ準位の上昇で約六倍に増強される。
• Néelベクトル依存の温度スケーリング関係が異常 Nernst 導電率に観測される。
• 本研究は、直線補償磁性体における非揮発性 ANE の存在を示し、熱電応答をアルテル磁性のスピン分裂バンドに結びつける。