[論文レビュー] Spontaneous anomalous Hall effect arising from an unconventional compensated magnetic phase in a semiconductor

R. D. Gonzalez Betancourt, J. Zubáč+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、自発的な異常ホール効果（AHE）が、スピンが反平行に整列し、ネット磁化がゼロのスピン系半導体MnTeで報告された。この効果は、Mn原子の異方性結晶環境に起因する時間反転対称性の破れを示す非従来型のアルタ磁性相に起因し、外部磁場が存在しない状態で横方向のホール電流を生じさせることを可能にした。これは、磁化がキャンセレーションされた磁性半導体におけるAHEの初回観測である。

ABSTRACT

The anomalous Hall effect, commonly observed in metallic magnets, has been established to originate from the time-reversal symmetry breaking by an internal macroscopic magnetization in ferromagnets or by a non-collinear magnetic order. Here we observe a spontaneous anomalous Hall signal in the absence of an external magnetic field in an epitaxial film of MnTe, which is a semiconductor with a collinear antiparallel magnetic ordering of Mn moments and a vanishing net magnetization. The anomalous Hall effect arises from an unconventional phase with strong time-reversal symmetry breaking and alternating spin polarization in real-space crystal structure and momentum-space electronic structure. The anisotropic crystal environment of magnetic Mn atoms due to the non-magnetic Te atoms is essential for establishing the unconventional phase and generating the anomalous Hall effect.

研究の動機と目的

• MnTe（ネット磁化がゼロの半導体）における自発的異常ホール効果（AHE）の起源を解明すること。
• 反平行磁性構造がマクロな磁化を持たない状態でも時間反転対称性の破れが生じうるかどうかを特定すること。
• 結晶の異方性および実空間および運動量空間におけるスピン極化の役割が、キャンセレーションされた系におけるAHEをどのように可能にするかを明らかにすること。
• MnTeを半導体におけるアルタ磁性のモデル系として確立し、スピントロニクス素子への新たな道筋を提供すること。

提案手法

• 高品質な構造的および磁気的性質を実現するため、分子線エpitaxy法を用いてGaAs基板上にエpitaxialなMnTe薄膜を成長させた。
• AHE成分を異方性磁気抵抗（AMR）から分離するために、低温（50 K）で面内磁場を用いた角度依存磁気抵抗測定を実施した。
• 抵抗率データの調和解析にsin(nϕ)フィットを適用し、奇数調和（n=3）成分を抽出することでAHE信号を特定した。
• AHEは、原始データから偶数調和（n=2,4,6,8,10）成分を差し引くことで確認され、主要なsin(3ϕ)成分が顕著に現れた。
• 磁気の容易軸は、角度依存磁場スキャンにおける縦方向抵抗率の最小値から特定され、約2–3 Tでスピンフロップ転移が確認された。
• スピン群形式を用いた理論的解析により、磁性相が回転対称性で接続された反対称スピンサブラティスを特徴とするアルタ磁性と分類された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネット磁化がゼロで、反平行磁性秩序を示す半導体において、自発的異常ホール効果が生じうるか？
• RQ2 MnTeにおいてマクロな磁化が存在しない状態で、時間反転対称性の破れがどのように生じるのか？
• RQ3 Mn原子の異方性結晶環境が、MnTeにおける異常ホール効果の出現にどのように寄与するか？
• RQ4 実空間におけるスピン極化と運動量空間における電子状態が、観測されたAHEにどの程度寄与しているか？
• RQ5 MnTeにおける異常ホール効果は、スピン群理論による予測通りのアルタ磁性相と整合的か？

主な発見

• 50 Kで外部磁場なしに自発的異常ホール効果が観測され、キャンセレーションされた系における時間反転対称性の破れが確認された。
• AHE信号は、角度依存磁場におけるsin(3ϕ)調和成分が支配的であり、これは垂直方向のホール擬スカラーに比例する横方向ホール電流を示している。
• スピンフロップ遷移磁場は約2–3 Tと特定され、磁化モーメントが最も近い容易軸に向かって再配列した。
• 電流が[2̄1̄10]方向に沿っている場合でもAHEが維持されることから、電流方向に依存せず、結晶指向に強く依存しないことが確認された。
• AHEは、Mn原子を取り囲む異方性Te環境に起因する、実空間および運動量空間で交互に変化するスピン極化を示す非従来型のアルタ磁性相に起因している。
• 観測されたAHEは、強力な異方性磁気抵抗（AMR）成分に対しても頑健であり、調和成分の差し引きにより、本質的AHE信号が明確に分離された。