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

Zexin Feng, Xiaorong Zhou+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ネット磁化モーメントがゼロである偏りのある反強磁性体であるRuO2において、複雑な結晶構造と反強磁性秩序の結果として生じる非従来型スピン分裂に起因する、約330 S/cmの大きなホール伝導度が実験的に観測されたこと、およびその効果が散逸のないトポロジカルなベリー曲率に起因することを報告している。この現象は、従来のスピンデゲネラシーの破れを超えた、異常ホール輸送の新しいメカニズムを示している。

ABSTRACT

An electric current passing through a magnetic conductor can generate a dissipationless transversal current of topological Berry curvature origin. This anomalous Hall effect requires the breaking of spin-degeneracy of electronic bands, conventionally arising from a macroscopic moment in ferromagnets, or a non-collinear magnetic order in complex magnets. Here we report the experimental observation of a new anomalous Hall effect mechanism - the crystal Hall effect - in a system with the abundant collinear antiferromagnetic order. We detect a large crystal Hall conductivity of ~330 S/cm, consistent with our density functional theory calculations, by performing Hall measurements up to 50 T on high quality epilayers of RuO2. We demonstrate that this crystal Hall effect is an experimental manifestation of unconventional spin-splitting originating from a complex crystal structure in combination with collinear antiferromagnetism with zero net moment. This opens a previously unexplored chapter, associated with the new spin-splitting physics, of dissipationless transport and other quantum and topological phenomena in condensed matter.

研究の動機と目的

• ネット磁化モーメントが存在しない系において、異常ホール効果の新しいメカニズムを同定し、実験的に証明すること。
• 複雑な結晶構造と偏りのある反強磁性秩序が非従来型スピン分裂を生じる役割を調査すること。
• トポロジカルなベリー曲率を介して、ネット磁化モーメントがゼロの反強磁性体においても散逸のない横方向電流が発生することを確立すること。
• 反強磁性体がトポロジカルおよび量子輸送現象のプラットフォームとして持つ可能性を検討すること。

提案手法

• 最大50 Tの磁場をかけた状態で、高品質なエpitaxial RuO2薄膜を用いた高精度ホール測定を実施する。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて電子バンド構造をモデル化し、結晶ホール伝導度を予測する。
• ホール抵抗率応答を分析して、非散逸的横方向電流寄与を同定する。
• 実験的ホール伝導度と、ベリー曲率に起因するスピン分裂の理論的予測を相関付ける。
• 結晶ホール効果を分離するため、偏位反強磁性秩序とゼロのネット磁化を持つ系に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネット磁化モーメントがゼロである偏位反強磁性体において、散逸のないホール効果が出現しうるか？
• RQ2 顕著な磁化が存在しない状況でスピン分裂の起源は何か？
• RQ3 RuO2の複雑な結晶構造は、トポロジカル輸送特性にどのように寄与するか？
• RQ4 観測されたホール伝導度は、どの程度ベリー曲率に起因するものであり、従来のメカニズムとは異なるか？

主な発見

• 高磁場下のRuO2において、実験的に約330 S/cmの大きな結晶ホール伝導度が観測された。
• 観測されたホール応答は、ベリー曲率駆動輸送を予測する密度汎関数理論計算と整合的である。
• この効果は、結晶構造と偏位反強磁性秩序の相乗作用に起因する非従来型スピン分裂に起因する。
• このメカニズムはネット磁化モーメントが存在しないため、従来の異常ホール効果とは明確に異なる。
• 結果として、トポロジカルな電子構造を介して、反強磁性系においても散逸のない輸送が可能であることが示された。