[論文レビュー] Observation of the Anomalous Hall Effect in a Collinear Antiferromagnet

Zexin Feng, Xiaorong Zhou+17 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 4被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、磁気双極子モーメントや非共線スピン構造を必要とせず、ベリー位相メカニズムによって、反強磁性体であるRuO₂において、非共線反強磁性体としての異常ホール効果（AHE）を実験的に示した。観測された異常ホール電導度は300 S/cmを超えており、トポロジカル起源を確認し、非共線反強磁性体が時間反転対称性の破れ現象の実現可能なプラットフォームであることを示した。

ABSTRACT

Time-reversal symmetry breaking is the basic physics concept underpinning many magnetic topological phenomena such as the anomalous Hall effect (AHE) and its quantized variant. The AHE has been primarily accompanied by a ferromagnetic dipole moment, which hinders the topological quantum states and limits data density in memory devices, or by a delicate noncollinear magnetic order with strong spin decoherence, both limiting their applicability. A potential breakthrough is the recent theoretical prediction of the AHE arising from collinear antiferromagnetism in an anisotropic crystal environment. This new mechanism does not require magnetic dipolar or noncollinear fields. However, it has not been experimentally observed to date. Here we demonstrate this unconventional mechanism by measuring the AHE in an epilayer of a rutile collinear antiferromagnet RuO$_2$. The observed anomalous Hall conductivity is large, exceeding 300 S/cm, and is in agreement with the Berry phase topological transport contribution. Our results open a new unexplored chapter of time-reversal symmetry breaking phenomena in the abundant class of collinear antiferromagnetic materials.

研究の動機と目的

• 非共線反強磁性体において、ベリー位相メカニズムによって予測されるが、これまで実験的に観測されていなかった異常ホール効果（AHE）の存在を実証すること。
• スピン軌道結合が異方性結晶環境において時間反転対称性の破れを引き起こすことが可能であり、ネット磁気モーメントや非共線スピン秩序を必要としないことの確立。
• 非共線反強磁性体が、トポロジカル量子現象および高密度スピントロニクス素子の強固なプラットフォームとしての可能性を探索すること。
• 外延的RuO₂薄膜における異常ホール電導度を測定・定量し、理論的予測との比較によってそのトポロジカル起源を確認すること。

提案手法

• ルチル構造の非共線反強磁性体であるRuO₂の外延的薄膜を、構造的および電子的界面制御を確実にするためにTiO₂基板上に成長させた。
• 外部磁場を印加した状態で電気的輸送測定を実施し、異常ホール抵抗率および電導度を抽出することで、異常ホール効果を測定した。
• ベリー曲率とスピン軌道結合に基づく理論的モデリングを用いて、ネット磁気モーメントが存在しない状況での異常ホール電導度へのトポロジカル寄与を予測した。
• 観測された異常ホール電導度を理論的予測されたベリー位相寄与と比較することで、効果のトポロジカル起源を確認した。
• 角度分解光電子分光および磁気輸送解析を用いて、材料内の電子バンド構造およびスピンテクスチャーを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非共線反強磁性体において、ネット磁気モーメントや非共線スピン秩序が存在しない状況でも、異常ホール効果を観測できるか？
• RQ2 RuO₂における異常ホール効果は、低対称性結晶環境におけるスピン軌道結合に起因するトポロジカルベリー位相メカニズムによって駆動されているか？
• RQ3 外延的RuO₂薄膜における異常ホール電導度の大きさはどの程度であり、トポロジカル起源の理論的予測と比較してどうなるか？
• RQ4 非共線反強磁性体は、トポロジカル量子材料における時間反転対称性の破れ現象の実現可能な材料として有効であるか？

主な発見

• 外延的RuO₂薄膜における異常ホール電導度は300 S/cmを超える値に達しており、強いトポロジカル寄与を示している。
• 観測されたAHEはベリー曲率に基づく理論的予測と整合的であり、ネット磁気モーメントとは無関係なトポロジカル起源を確認した。
• 強磁性秩序や非共線スピン構造が存在しない状況でも効果が維持されることから、異方性結晶系における提案されたメカニズムの妥当性が裏付けられた。
• 結果として、非共線反強磁性体が強固な時間反転対称性の破れを実現でき、トポロジカル輸送現象を示す可能性を示した。
• 本研究により、高密度データ処理および低エネルギー損失を特徴とする将来のスピントロニクスおよびトポロジカル量子デバイスの実現に向けた、RuO₂の有望なプラットフォームとしての役割が確立された。