[論文レビュー] Quantum Anomalous Hall Effect through Canted Antiferromagnetism

Xiao Li, A. H. MacDonald+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、スピン軌道結合を有する4d/5dペロブスカイト（001）薄膜のモデルを用いて、時間反転奇応答を示すがネット磁化を持たない異常ホール効果反強磁性体（AHE AFM）を活用することで、二次元のねじれ反強磁性体において高温量子異常ホール効果（QAHE）を実現する戦略を提案する。ねじれ反強磁性秩序とラシュバ型スピン軌道結合が、チリ数C=2の量子化されたホール伝導度を誘起し、高温でも頑健なQAHE状態を実現可能であることを示している。

ABSTRACT

Most canted antiferromagnets are also anomalous Hall antiferromagnets (AHE AFMs), i.e. they have an anomalous Hall response and other responses with the same symmetry requirements. We suggest that AHE AFMs are promising materials as hosts for high-temperature quantum anomalous Hall effects. By considering models of two-dimensional (001) perovskite layers with strong spin-orbit coupling that isolates an effective total angular momentum $ ilde{j}= \frac{1}{2}$ subspace of the $t_{2g}$ manifold, we propose a strategy to engineering quantum anomalous Hall antiferromagnets.

研究の動機と目的

• 既存のQAHE系が示す低温制限を克服し、高温度で安定なQAHEを実現できるAHE AFMを、有望な候補として同定すること。
• AHE AFMに内在する対称性保護された時間反転奇応答を活用することで、絶縁体における頑健なQAHEの実現に向けた課題を解決すること。
• ペロブスカイト層における有効スピンj̃=1/2 t2g状態を有する2次元正方形格子に基づく最小モデルを提案し、ねじれ反強磁性秩序とスピン軌道結合が量子化されたホール伝導度を生成すること。
• 交互に配置されたゼーマン場、正方晶歪み、およびラシュバ型スピン軌道結合の組み合わせが、チリ数C=2のQAHE状態を安定化できることを示すこと。

提案手法

• 4d/5dペロブスカイトにおけるt2g軌道からの有効j̃=1/2準位を用いた2次元正方形格子上に最小のs-dモデルを構築し、強いスピン軌道結合を用いて低エネルギー多体系を定義する。
• サイト依存の異方性および異方的交換相互作用を導入することで、ねじれ反強磁性秩序をモデル化し、弱いフェアロ磁性モーメントと時間反転奇応答を生じさせる。
• 擬spin空間における交互に配置された面内ゼーマン場を導入し、実空間における交互な交換場に相当させることで、時間反転対称性を破り、ギャップを開く。
• 面外方向の酸素のずれを介してラシュバ型スピン軌道結合を導入し、スピン依存の hopping 項 tR ∝ iσx,y を生成することでスピンデゲネラシーを破る。
• 全ハミルトニアンを擬スピン空間に射影し、得られたバンド構造を解析することで、θ=11°、Jex=0.5tdd、tR=0.1tdd のパラメータ領域でチリ数C=2を同定する。
• 鏡対称性の破れと正方晶歪みが、必要なラシュバ型スピン軌道結合を生成し、粒子-ホール対称性を保つために不可欠であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合が強い異常ホール効果を示すがネット磁化を持たないねじれ反強磁性体（AHE AFM）は、高温でも頑健な量子異常ホール効果（QAHE）を実現できるか？
• RQ2 ねじれ反強磁性秩序とスピン軌道結合が、2次元ペロブスカイト薄膜でどのように量子化されたホール伝導度を生成するか？
• RQ3 正方晶歪みと面外方向の酸素のずれは、t2g準位におけるラシュバ型スピン軌道結合の生成に果たす役割は何か？
• RQ4 時間反転対称性が交互な交換場とスピン軌道結合によってのみ破られる系で、チリ数C=2のQAHE状態を安定化できるか？
• RQ5 AHE AFMにおいてトポロジカルに非自明な絶縁体状態を実現するための最小限の対称性およびパラメータ要件は何か？

主な発見

• ねじれ反強磁性の4d/5dペロブスカイト（001）薄膜の2次元モデルにおいて、θ=11°、Jex=0.5tdd、tR=0.1tdd の現実的なパラメータ条件下でチリ数C=2の量子異常ホール効果が実現された。
• 交互に配置されたゼーマン場とスピン軌道結合によってギャップが開くため、ネット磁化がなくても量子化されたホール伝導度が実現される。
• t2g準位における有効j̃=1/2準位により、すべての主要パラメータ（Jex、tR、θ）が同程度のエネルギースケールに収束し、QAHE状態へのチューニングが容易になる。
• 正方晶歪みと鏡対称性の破れが、必要なラシュバ型スピン軌道結合を生成するために不可欠である。
• モデルは粒子-ホール対称性を保ち、スピン軌道項と交換項の間の（反）可換関係を維持しており、広いパラメータ領域でトポロジカルな頑健性を確保する。
• 提案された系は、Sr2IrO4 や CaIrO3 などの絶縁体AHE AFM、またはねじれ反強磁性層を有するヘテロエpitaxial界面を介して実現可能であり、実験的実現が可能である。