[論文レビュー] Origin of spin reorientation and intrinsic anomalous Hall effect in the kagome ferrimagnet TbMn6Sn6

D. Connor Jones, Suvadip Das+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、実験、平均場理論、および第一原理計算を統合することで、kagome鉄ガモニットTbMn6Sn6におけるスピン再配列および固有の異常ホール効果（AHC）の起源を解明した。スピンの動的挙動の違い—TbにおけるMnに比べ強いスピンフラクチュエーション—が309 K未満で90°のスピン再配列を駆動していることが示された。一方、AHCはkagomeディラック点ではなく、複雑な3次元フェルミ面の混合に起因し、理論的AHC（50–80 S cm⁻¹）は実験値と良好な準定量的整合性を示した。

ABSTRACT

TbMn$_6$Sn$_6$ has attracted a lot of recent interest for a variety of reasons, most importantly, because of the hypothesis that it may support quantum-limit Chern topological magnetism, derived from the kagome geometry. Besides, TbMn$_6$Sn$_6$ features a highly unusual magnetic reorientation transition about 100 K below the Curie point, whereby all spins in the system, remaining collinear, rotate by 90$^\circ$. In this work, we address both issues combining experiment, mean-field theory and first-principle calculations. Both magnetic reorientation and the unusual temperature dependence of the anomalous Hall conductivity (AHC) find quantitative explanation in the fact that Mn and Tb, by virtue of the Mermin-Wagner theorem, have very different spin dynamics, with Tb spins experiencing much more rapid fluctuation. We were able to cleanly extract the intrinsic AHC from our experiment, and calculated the same microscopically, with good semiquantitative agreement. We have identified the points in the band structure responsible for the AHC and showed that they are not the kagome-derived Dirac points at the K-corner of the Brillouin zone, as conjectured previously.

研究の動機と目的

• YMn6Sn6の類縁体とは異なり、TbMn6Sn6が反強磁性の一次元的フェリマグネチック状態を示す理由を理解すること。
• Curie温度未満で100 Kのスピン再配列転移が発生する理由を説明すること。この転移では、すべてのスピンが90°回転するが、依然として一次元的である。
• TbMn6Sn6に顕著な固有の異常ホール伝導度（AHC）が観測される微視的起源を特定すること。
• AHCと縦方向抵抗率のスケーリング挙動を明確にすること。これには、磁励地波（magnon）の寄与と外部的効果が含まれる。

提案手法

• TbMn6Sn6における磁化率、電気抵抗率、および異常ホール効果の実験的測定を実施した。
• Tbの垂直容易磁性とMnの平面容易磁性の競合をモデル化するため、平均場理論を適用した。
• スピン軌道結合を含む第一原理密度汎関数理論（DFT）計算により、電子バンド構造およびベリー曲率を計算した。
• Kubo公式を用いて固有AHCを計算し、ブリユアンゾーンの異なる領域からの寄与を分析した。
• フェルミエネルギーの調整（±50 meV）を用いてドーピング効果がAHCに与える影響を評価し、実験値と比較した。
• ベリー曲率への寄与をマッピングし、K点付近のディラック点が主因でないことを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜTbMn6Sn6は約309 Kでスピン再配列転移を示すのに対し、YMn6Sn6はスピンらせん反強磁性のままであるのか？
• RQ2 TbMn6Sn6に顕著な固有の異常ホール伝導度が生じる原因は何か？また、これはK点付近のトポロジカルディラック点と関連しているのか？
• RQ3 TbとMnの間のスピンダイナミクスおよび磁気的異方性の違いが、再配列転移をどのように制御しているのか？
• RQ4 AHCと縦方向抵抗率のスケーリング関係の起源は何か？磁励地波はその中でどのような役割を果たすのか？
• RQ5 なぜTbMn6Sn6のAHCは単純な2次元kagomeモデルで予測される値よりも顕著に大きいのか？

主な発見

• スピン再配列転移は、温度上昇に伴いTbの磁気的異方性が強化されたスピンフラクチュエーションによって誘導される。これにより、209 K未満で有効磁気モーメントおよび異方性が低下する。
• Mn層間の有効交換結合は、Tbを介した間接的交換相互作用により強磁性である。このため、一次元的フェリマグネチック基底状態が安定化される。
• 理論的フェルミエネルギーでの固有AHCは50 ± 1 S cm⁻¹であり、50 meVの上昇シフトで約80 S cm⁻¹に上昇する。実験値と良好な準定量的整合性を示す。
• 主なAHC寄与は、K₂およびΓ₂点付近の混合化されたバンドと、A点とL点の間の偶然的なスピンダウンディラック点に起因し、K点ディラック点は主因ではない。
• AHCは単一のトポロジカルバンドではなく、複雑な3次元フェルミ面の特徴に起因しており、多軌道および3次元的電子構造の重要性が浮き彫りになる。
• 磁励地波の寄与および可能性のある外部的効果が、理論と実験のAHC値の残り約40%の乖離を説明できる可能性がある。