[論文レビュー] Quantum Oscillations of the Metallic Triangular-lattice Antiferromagnet PdCrO2

Jong Mok Ok, Younghun Jo+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2013

Multiferroics and related materials被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、de Haas-van Alphen (dHvA) 量子振動測定と第一原理計算を組み合わせることで、金属的三角格子反強磁性体 PdCrO2 における拡散電子が、Cr3+ スピンの非同一方向 120° 反強磁性秩序によって顕著なフェルミ面再構築を受けることを示した。主な発見は、理想的な 120° 構造ではスカラー スピンキラリティがゼロであるため、PdCrO2 の非従来的アノマラスホール効果 (AHE) はスピンキラリティによって説明できないことであり、これによりオービタル ベリー位相やスピン分離フェルミ面といった代替メカニズムの必要性が示された。

ABSTRACT

We report the de Haas-van Alphen (dHvA) oscillations and first-principle calculations for triangular antiferromagnet PdCrO2 showing unconventional anomalous Hall effect (AHE). The dHvA oscillations in PdCrO2 reveal presence of several 2 dimensional Fermi surfaces of smaller size than found in nonmagnetic PdCoO2. This evidences Fermi surface reconstruction due to the non-collinear 120 antiferromagnetic ordering of the localized Cr, consistent with the first principle calculations. The temperature dependence of dHvA oscillations shows no signature of additional modification of Cr spin structure below TN. Considering that the 120 helical ordering of Cr spins has a zero scalar spin chirality, our results suggest that PdCrO2 is a rare example of the metallic triangular antiferromagnets whose unconventional AHE can not be understood in terms of the spin chirality mechanism.

研究の動機と目的

• 金属的三角格子反強磁性体 PdCrO2 の電子状態およびフェルミ面トポロジーを調査すること。
• PdCrO2 の非従来的アノマラスホール効果 (AHE) が、120° 非同一方向スピン構造におけるスピンキラリティに起因するかどうかを特定すること。
• 実験的 dHvA 振動と第一原理バンド構造計算の比較を通じて、PdCrO2 における電子-スピン結合の性質を明確にすること。
• TN 未満の追加の磁気転移が 120° スピン秩序を抑制または変化させ、AHE メカニズムに影響を与えるかどうかを評価すること。
• 理想的な 120° 構造ではスカラー スピンキラリティがゼロであることを踏まえ、非従来的 AHE の支配的メカニズムを特定すること。

提案手法

• PdCrO2 の単結晶を用いて、高磁場（最大 33 T）および低温（1.4 K）条件下で de Haas-van Alphen (dHvA) 量子振動測定を実施し、磁場方向を c 軸に対して変化させた。
• dHvA 振動の高速フーリエ変換（FFT）解析により、複数のフェルミ面シートが特定され、それぞれが異なるオービタルに対応していた。
• 温度依存的な dHvA 振幅から有効質量（m*）を抽出するために Lifshitz-Kosevich 公式が適用され、質量増幅要因 λ = m*/mb − 1 の計算が可能になった。
• 電子バンド構造およびスピンテクスチャーをモデル化するため、GGA 交換相関関数を用いたフルポテンシャル線形化補間平面波（FLAPW）法による第一原理計算が実施された。
• 異なるフェルミ面シートにおける Cr 3d オービタル成分を計算し、スピン軌道結合およびオービタル混合が観測された質量増幅とどのように関連するかを特定した。
• dHvA 周波数および有効質量を非磁性体の同構造化合物 PdCoO2 と比較することで、磁気秩序に起因するフェルミ面再構築が推定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PdCrO2 の 120° 非同一方向反強磁性秩序は、dHvA 振動によって示されるフェルミ面再構築を引き起こすか？
• RQ2 理想的な 120° 構造ではスカラー スピンキラリティがゼロであるため、PdCrO2 の非従来的アノマラスホール効果 (AHE) はスピンキラリティメカニズムと整合するか？
• RQ3 PdCrO2 における電子-スピン結合の強さとオービタル依存性は、有効質量増幅によってどのように定量化されるか？
• RQ4 TN = 37.5 K 未満に追加の磁気転移があり、Cr スピン構造を変化させ、AHE に影響を与えるか？
• RQ5 オービタル ベリー位相やスピン分離フェルミ面といった代替メカニズムによって、PdCrO2 の非従来的 AHE を説明できるか？

主な発見

• dHvA 振動により、PdCrO2 に複数の二次元的フェルミ面シートが確認され、これらはすべて非磁性体の同構造化合物 PdCoO2 より顕著に小さく、強いフェルミ面再構築を示している。
• フェルミ面再構築は、第一原理計算により確認されたように、Cr3+ スピンの非同一方向 120° 反強磁性秩序に起因する。
• α フェルミ面シートでは有効質量増幅要因 λ = m*/mb − 1 が約 0.4–0.7、γ シートでは約 0.2–0.3 であることが測定され、中程度の電子相関を示している。
• α シートにおける高い質量増幅は、60% の高い Cr 3d オービタル成分と相関しており、これらのシート上で拡散電子と Cr スピンとの結合が強いことを確認した。
• TN 未満での温度依存的 dHvA 振動の変化は観察されず、37.5 K 未満で追加の磁気転移やスピン構造の変化がないことが示された。
• 理想的な 120° 構造ではスカラー スピンキラリティがゼロであるため、スピンキラリティメカニズムは非従来的 AHE の原因ではないとされ、オービタル ベリー位相やスピン分離フェルミ面といった代替説明の必要性が示された。