[論文レビュー] Unification of Nonlinear Anomalous Hall Effect and Nonreciprocal Magnetoresistance in Metals by the Quantum Geometry

Daniel Kaplan, Tobias Holder+1 more|PubMed|Nov 30, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 57被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、量子幾何学を用いて金属における非線形異常ホール効果（NLAHE）と非相反磁気抵抗（NMR）を統一的な理論枠組みで提示し、両効果が正規化された量子メトリックデュポールに起因することを示している。量子メトリック寄与は本質的で準粒子の寿命に依存しないため、ドーピングされたMnBi₂Te₄薄膜において、散乱時間に依存しない強力で観測可能なNLAHEとNMRが実現可能であり、これは量子幾何学の顕著な特徴が非線形輸送に現れることを予測している。

ABSTRACT

The quantum geometry has significant consequences in determining transport and optical properties in quantum materials. Here, we use a semiclassical formalism coupled with perturbative corrections unifying the nonlinear anomalous Hall effect and nonreciprocal magnetoresistance (longitudinal resistance) from the quantum geometry. In the dc limit, both transverse and longitudinal nonlinear conductivities include a term due to the normalized quantum metric dipole. The quantum metric contribution is intrinsic and does not scale with the quasiparticle lifetime. We demonstrate the coexistence of a nonlinear anomalous Hall effect and nonreciprocal magnetoresistance in films of the doped antiferromagnetic topological insulator MnBi_{2}Te_{4}. Our work indicates that both longitudinal and transverse nonlinear transport provide a sensitive probe of the quantum geometry in solids.

研究の動機と目的

• 金属における非線形異常ホール効果（NLAHE）と非相反磁気抵抗（NMR）の起源を、単一の量子幾何学的枠組みで統一すること。
• 量子メトリックデュポールを、準粒子寿命とは独立した、横方向および縦方向の非線形伝導度の主要な本質的寄与として特定すること。
• ドーピングされた反強磁性トポロジカル絶縁体MnBi₂Te₄薄膜に、強力で観測可能なNLAHEとNMRが共存することを示すこと。
• ドレーブ項、ベリー曲率デュポール、および量子メトリックの3つの2次伝導度寄与を対称性に基づいて分類すること。
• 非中心対称および反強磁性系において、非線形輸送を量子物質の量子幾何学の感受性なプローブとして確立すること。

提案手法

• 電場の2次までの摂動補正を含む半古典的ボルツマン法を構築し、分布関数および準粒子演算子に量子幾何補正を組み込む。
• 式(12)に示される、正規化量子メトリックデュポール、ベリー曲率デュポール、およびドレーブ項を含む2次伝導度の簡潔な表現を導出する。
• 衝突積分に対して緩和時間近似を適用し、電場の各次数でボルツマン方程式を順次解き、非線形電流応答を抽出する。
• 2〜8層のMnBi₂Te₄スライスを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を行い、ワニエ関数に波動関数を射影してバンド構造および量子幾何量を計算する。
• 対称性解析（C₃z、P、T、PT）を用いて応答寄与を分類し、選択則を決定する。
• 緩和時間τ = 0.04 psを用いて非線形伝導度σ²を評価し、mAm⁻¹nV⁻²のオーダーの大きさを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形異常ホール効果と非相反磁気抵抗は、単一の量子幾何的起源に基づいて統一可能か？
• RQ2 正規化量子メトリックデュポールは、横方向および縦方向の両方の非線形応答を生成する上で果たす役割は何か？
• RQ3 量子メトリック、ベリー曲率デュポール、およびドレーブ寄与は、対称性的制約および一次伝導度への依存性においてどのように異なるか？
• RQ4 ドーピングされたMnBi₂Te₄薄膜は、準粒子の寿命に依存しない観測可能な本質的NLAHEとNMRを有可能にするか？
• RQ5 非線形輸送応答は、非中心対称および反強磁性物質における量子幾何学のプローブとして、どの程度まで有効か？

主な発見

• 正規化量子メトリックデュポールは、非ゼロの縦方向非線形伝導度（NMR）を生成し、従来のモデルが量子幾何学からのNMRをゼロと予測していた長年の理論的ギャップを解消した。
• NLAHEおよびNMRにおける量子メトリック寄与は本質的で、準粒子の寿命τに依存せず、従来のドレーブまたは散乱制限寄与とは明確に区別される。
• MnBi₂Te₄薄膜では、τ = 0.04 psの場合、NLAHE伝導度σ²(yy;x)が数mAm⁻¹nV⁻²のオーダーに達し、フェルミ表面近くで顕著な変動とバンドギャップ通過に伴う符号反転が観察される。
• P、T、PT対称性の破れの相互作用により、MnBi₂Te₄においてNLAHEとNMRが共存し、表面状態が安定であるため、厚さ4層以上では量子メトリック寄与が存続する。
• 量子メトリック寄与はC₃zおよびPTに対して対称である一方、ベリー曲率デュポールはTおよびPを破るため、対称性制御により3つの2次寄与を実験的に区別可能である。
• 最近のMnBi₂Te₄薄膜における量子メトリック駆動のNLAHEおよびNMRの実験的観測は、理論的予測を裏付け、本フレームワークが量子幾何学の堅牢なプローブであることを確認した。