[論文レビュー] Quantum metric-induced nonlinear transport in a topological antiferromagnet

Naizhou Wang, Daniel M. Kaplan+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は MnBi2Te4 における量子計量駆動の非線形輸送を実証し、非線形 AHE とビ band topology に linked longi tudinal のダイオード様応答を明らかにし、磁気秩序とキャリアタイプに関連する挙動を示す。

ABSTRACT

The Berry curvature and quantum metric are the imaginary part and real part, respectively, of the quantum geometric tensor which characterizes the topology of quantum states. The former is known to generate a zoo of important discoveries such as quantum Hall effect and anomalous Hall effect (AHE), while the consequences of the quantum metric have rarely been probed by transport. In this work, we observed quantum metric induced nonlinear transport, including both nonlinear AHE and diode-like nonreciprocal longitudinal response, in thin films of a topological antiferromagnet, MnBi$_2$Te$_4$. Our observation reveals that the transverse and longitudinal nonlinear conductivities reverse signs when reversing the antiferromagnetic order, diminish above the Néel temperature, and are insensitive to disorder scattering, thus verifying their origin in the band structure topology. They also flip signs between electron and hole-doped regions, in agreement with theoretical calculations. Our work provides a pathway to probe the quantum metric through nonlinear transport and to design magnetic nonlinear devices.

研究の動機と目的

• 量子計量効果が輸送に及ぼす影響を、よく検討されている Berry 曲率を超えて動機づける。
• トポロジカル反強磁性体における非線形横断および縦方向の輸送を調査する。
• 非線形応答が反強磁性秩序と温度に依存することを示す。
• 実験観測を帯電構造の量子計量へ結びつける。
• 量子計量を磁性非線形デバイスの設計原理として用いる道筋を提供する。

提案手法

• MnBi2Te4 の薄膜を実験プラットフォームとして用いる。
• 測定は非線形横方向（AHE）および縦方向のダイオード様応答を対象とする。
• 反転した反強磁性秩序下での応答を比較して対称性特性を検証する。
• 無秩序散乱の影響を評価し固有（バンド構造）起源を確立する。
• 理論計算は観測された符号変化を量子計量に基づく予測と比較する。
• 解析は非線形導電率を量子幾何学的テンソルの実部と結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnBi2Te4 における非線形横方向および縦方向輸送信号は散乱よりも量子計量に起因するのか。
• RQ2 これらの非線形応答は反強磁性秩序と温度にどう依存するのか。
• RQ3 電子ドープ領域とホールドーピング領域で非線形導電率の符号は理論が予測するように異なるのか。

主な発見

• MnBi2Te4 薄膜において非線形 AHE およびダイオード様の非線形縦方向応答を観測。
• 反強磁性秩序を反転させると横方向および縦方向の非線形導電率の符号が反転。
• Néel 温度を超えると非線形信号が減衰し、磁気秩序依存性を示す。
• 散乱散逸にはに敏感でなく、固有（バンド構造）起源を支持。
• 非線形導電率の符号は電子・ホールドーピング領域で反転し、理論予測と一致。
• 結果は量子計量と測定可能な非線形輸送現象との関連を確立する。