[論文レビュー] Prediction of unconventional magnetism in doped FeSb2

I. I. Mazin, Klaus Koepernik+3 more|PubMed Central|May 13, 2021

Magnetic properties of thin films被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、Cr や Co をドーピングすることで FeSb2 に非従来型の反強磁性状態が誘発され、運動量空間におけるスピン密度秩序に起因して強いスピン分離が生じ、その結果、ゼロのネット磁化にもかかわらず大きな異常ホール電導度（約150 S/cm）と顕著な磁気光学 Kerr 効果が発現すると予測している。この現象は、反 Kramers ノード面がスピン軌道結合によってギャップ化されることに起因し、従来の Weyl やノードライン系とは明確に異なる。

ABSTRACT

It is commonly believed that in typical collinear antiferromagnets, with no net magnetization, the energy bands are spin-(Kramers-degenerate. The opposite case is usually associated with a global time-reversal symmetry breaking (e.g., via ferro(i)magnetism), or with the spin-orbit interaction is combined with the broken spatial inversion symmetry. Recently, another type of spin splitting was demonstrated to emerge in some fully compensated by symmetry, nonrelativistic, collinear magnets, and not even necessarily non-centrosymmetric. These materials feature non-zero spin density staggered not only in real, but also in momentum space. This duality results in a combination of characteristics typical of ferro- and antiferromagnets. Here we discuss this novel concept in application to a well-known semiconductor, FeSb2, and predict that upon certain alloying it becomes magnetic, and features such magnetic duality. The calculated energy bands split antisymmetrically with respect to spin degenerate nodal surfaces (and not nodal points, as in the case of spin-orbit splitting. This combination of a large (0.2 eV) spin splitting, compensated net magnetization and metallic ground-state, and a particular magnetic easy axis generate a large anomalous Hall conductivity (~150 S/cm) and a sizable magneto-optical Kerr effect, all deemed to be hallmarks of nonzero net magnetization. We identify a large contribution to the anomalous response originating from the spin-orbit interaction gapped anti-Kramers nodal surfaces, a mechanism distinct from the nodal lines and Weyl {\it points} in ferromagnets.

研究の動機と目的

• 従来の反強磁性体を超えた FeSb2 における非従来型磁性の出現を探索すること。
• 完全に補償された非相対論的かつ反平行な反強磁性体においてスピン縮退がどのように解除されるかを特定すること。
• FeSb2 のドーピングが、二重の強磁性および反強磁性の特性を併せ持つ新しい磁性状態を安定化させることを予測すること。
• この状態がゼロのネット磁化にもかかわらず、大きな異常ホール電導度および磁気光学応答を支持することを示すこと。
• スピン軌道結合が反 Kramers ノード面をギャップ化させることで、異常輸送の新規メカニズムを確立すること。

提案手法

• FeSb2 の格子構造と磁性状態の最適化に、PBE-GGA と PAW ポテンシャルを用いた第一原理 DFT 計算（VASP を用いて）。
• スピン軌道結合を含み、エネルギー準位の順序を精緻化するために、完全相対論的4成分ディラックハミルトニアンを用いた FPLO コードを採用。
• 構造的整合性を維持しながら、穴ドーピングおよび電子ドーピングの効果をシミュレートするため、Wien2k に仮想原子近似（VCA）を適用。
• Wannier90 および WannierTools を用いて Wannier 関数を構築し、ブリユアンゾーン全体にわたる Berry 曲率の積分を計算して異常ホール電導度を算出。
• Wien2k を用いて光学応答を計算し、帯間誘電関数を抽出し、磁気光学 Kerr 効果を分析。
• ドーピングモデルの正確性を検証するため、実際の Cr ドーピング Fe0.5Cr0.5Sb2 の計算結果と VCA 結果を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロのネット磁化にもかかわらず、FeSb2 は強いスピン分離を示す新しい反強磁性状態を有することが可能か？
• RQ2 非磁性・非中心対称的かつ完全に補償された反強磁性体において、大きな異常ホール電導度の起源は何か？
• RQ3 スピン軌道結合が、この系におけるギャップ化された反 Kramers ノード面の形成にどのように寄与するか？
• RQ4 なぜ FeSb2 のドーピングが、純粋な化合物には見られない非従来型輸送特性を示す磁性状態を安定化させるのか？
• RQ5 運動量空間におけるスピン密度秩序が、ネット磁化がゼロの状態でも非自明なトポロジカル応答を生成する役割を果たすか？

主な発見

• 化学计量比の FeSb2 は、Kramers に縮退したバンドを有する従来の反強磁性体であるが、ほぼ縮退した非従来型磁性状態（AFMo）とも予測される。
• Cr や Co による FeSb2 のドーピングにより、運動量空間におけるスピン密度秩序に起因する強いスピン分離を示す非従来型 AFMo 状態が安定化する。
• 計算された異常ホール電導度は約150 S/cm に達し、ゼロのネット磁化にもかかわらず、強磁性金属と同等の大きさを示す。
• スピン分離エネルギー準位は、スピン縮退ノード面に対して非対称に分離しており、ノード点ではなくノード面を特徴としており、スピン軌道結合によるバンド分離とは明確に異なる。
• 磁気光学 Kerr 効果は顕著であり、典型的な強磁性体と同等の大きさを示し、スピン軌道結合による反 Kramers ノード面のギャップ化に起因する。
• 異常輸送の主な寄与は、スピン軌道結合された反 Kramers ノード面に起因しており、強磁性体における Weyl 点やノードラインとは明確に異なるメカニズムである。