[論文レビュー] Universal responses in nonmagnetic polar metals

Fabian Jäger, Nicola A. Spaldin+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、極性と金属性の共存に起因する空間反転対称性の破れが引き起こす軌道間 hopping と奇パリティ電荷多極子に起因する、非磁性極性金属における運動的磁電効果（KME）および非線形ホール効果（NHE）が普遍的応答であることを示している。PbTiO3に電子ドーピングを施したモデル系を用いて、これらの効果が極性軸の方向、極性反転に伴うスイッチング性、およびフェロエレクトリック転移を直接示すことを明らかにした。

ABSTRACT

We demonstrate that two phenomena, the kinetic magneto-electric effect and the non-linear Hall effect, are universal to polar metals, as a consequence of their coexisting and contraindicated polarization and metallicity. We show that measurement of the effects provides a complete characterization of the nature of the polar metal, in that the non-zero response components indicate the direction of the polar axis, and the coefficients change sign on polarization reversal and become zero in the non-polar phase. We illustrate our findings for the case of electron-doped PbTiO$_3$ using a combination of density functional theory and model Hamiltonian-based calculations. Our model Hamiltonian analysis provides crucial insight into the microscopic origin of the effects, showing that they originate from inversion-symmetry-breaking-induced inter-orbital hoppings, which cause an asymmetric charge density quantified by odd-parity charge multipoles. Our work both heightens the relevance of the kinetic magneto-electric and non-linear Hall effects, and broadens the platform for investigating and detecting odd-parity charge multipoles in metals.

研究の動機と目的

• 運動的磁電効果（KME）および非線形ホール効果（NHE）が、極性と金属性の共存に起因してすべての極性金属に普遍的であることを確立すること。
• これらの効果が極性金属相の完全な特徴付け（極性軸の方向、スイッチング性、構造的相転移を含む）を可能にすることを示すこと。
• KMEおよびNHEの微視的起源を、空間反転対称性の破れに起因する軌道間 hopping および奇パリティ電荷多極子の観点から解明すること。
• 第一原理DFTおよびモデルハミルトニアン計算を用いて、電子ドーピングされたPbTiO3を用いて理論的枠組みを検証すること。
• 金属系における奇パリティ電荷多極子の検出およびプローブに向けた、強固で対称性に基づくプラットフォームを提案すること。

提案手法

• 電子構造および応答テンソルの計算に、QUANTUM ESPRESSOおよびWannier90を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用する。
• 緩和時間近似を用いて、KMEおよびNHE応答を内在的物理量（逆空間磁気モーメント ⃗m(⃗k) およびベリー曲率ダイポール Dij）で表現する。
• 内在的応答式を適用： ˜Kij = ∑n ∫ d3k (2π)−3 (∂k i m n j ) f0 および Dij = ∑n ∫ d3k (2π)−3 (∂k i Ωn j ) f0 とし、応答をバンド構造およびフェルミ分布と関連付ける。
• 軌道間 hopping および対称性の破れが奇パリティ電荷多極子を生成する役割を分離するためのモデルハミルトニアンを構築する。
• 軌道モーメントおよびベリー曲率の運動量空間分布を分析し、KMEおよびNHEの起源を特定する。
• 両応答が中心対称（非極性）相では消え、極性反転に伴い符号が反転することを確認し、極性秩序の指標であることを裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動的磁電効果（KME）および非線形ホール効果（NHE）は、すべての非磁性極性金属において普遍的応答であるか？
• RQ2 KMEおよびNHEは、極性金属における極性軸の方向とスイッチング性を一意に特定できるか？
• RQ3 KMEおよびNHEの微視的起源は何か？また、奇パリティ電荷多極子とどのように関係しているか？
• RQ4 空間反転対称性の破れに起因する軌道間 hopping は、非対称な電荷密度をどのように生成し、これらの応答に影響を与えるか？
• RQ5 KMEおよびNHEの発現は、非極性相から極性相へのフェロエレクトリック的相転移を示唆するか？

主な発見

• KMEおよびNHEは、すべての極性金属において普遍的である。これは、これらが回転性の点群対称性（gyrotropic）を共有するためであり、空間反転対称性が破れた場合にのみ発現可能である。
• KMEおよびNHEの非ゼロ成分は、極性軸の方向を直接示しており、極性反転に伴い係数が符号を変える。非極性相では消える。
• KME応答 ˜Kij およびベリー曲率ダイポール（BCD）Dij は、それぞれ逆空間磁気モーメントおよびベリー曲率から導かれる内在的、運動量空間量である。
• 電子ドーピングされたPbTiO3において、KMEおよびNHEは極性金属相で強く現れ、その大きさと符号は極性歪みの方向に依存する。
• モデルハミルトニアン解析により、空間反転対称性の破れに起因する軌道間 hopping が奇パリティ電荷多極子を生成し、観測された応答の微視的起源を特定した。
• 電気オクテュプルモーメント（3次電荷非対称性）が、電気双極子（1次非対称性）とともに顕著な寄与を示し、高次多極子寄与の重要性を強調した。