[論文レビュー] X-ray Magnetic Circular Dichroism in Altermagnetic $α$-MnTe

Atsushi Hariki, Din, A. Dal+15 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2023

Magnetic properties of thin films参考文献 49被引用数 9

ひとこと要約

この論文はアルテルマグネティックなα-MnTeにおけるXMCDを予測し、実験的に確認しており、光に垂直な平面上の矯正補償モーメントの特徴的なXMCD線形形状を示し、その微視的起源とドメイン効果を分析している。

ABSTRACT

Altermagnetism is a recently identified magnetic symmetry class combining characteristics of conventional collinear ferromagnets and antiferromagnets, that were regarded as mutually exclusive, and enabling phenomena and functionalities unparalleled in either of the two traditional elementary magnetic classes. In this work we use symmetry and ab initio theory to explore X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) in the altermagnetic class. Our results highlight the distinct phenomenology in altermagnets of this time-reversal symmetry breaking response, and its potential utility for element-specific spectroscopy and microscopy in altermagnets. As a representative material for our XMCD study we choose $α$-MnTe with the compensated antiparallel magnetic order in which an anomalous Hall effect has been already demonstrated both in theory and experiment. The predicted magnitude of XMCD lies well within the resolution of existing experimental techniques.

研究の動機と目的

• アルテルマグネットの α-MnTe における XMCD を特定し、共線性アルテルマグネットにおける時間反転対称性破れと関連づける。
• Mn L2,3 エッジで異なる Néel ベクトルの向きと光伝播方向に対する XMCDスペクトルを予測・測定する。
• 価電子状態、SOC、コア–ヴァレンス相互作用の核-価電子寄与を分離する。
• XMCD の大きさと形状に対するドメイン効果と磁場誘起のカンティングを示す。
• アルテルマグネットにおける AHE と XMCD の起源の違いを強調し、ドメイン構造のイメージング可能性を評価する。

提案手法

• Mn d および Te p バンドに対する Wien2k由来の多バンド・ハバードモデルに基づく Anderson impurity model (AIM) を用いた DMFT の適用。
• Mn dシェル相互作用を U=5.0 eV、J=0.86 eV、μdc=22.5 eV でパラメトライズ。
• c軸に沿う円偏光光を用い、 Mn L2,3 エッジで XAS および XMCD スペクトルを計算し、140 K エピタキシャル MnTe 薄膜と比較。
• 相対論的対称性を用いて A と B のサブラレティスからのサイト分解寄与として XMCD を分解（C3 回転と T 対称性引数を含む）。
• 価電子 3d SOC および核–価電子相互作用の役割を評価するための4つのモデル variant を調べる。
• ドメイン平均化を取り入れ、複数の L 指向を反映し、6 T 磁場での場誘起カンティング（m6T ≈ 0.1 μB）を考慮してスペクトルを評価。

Figure 1: Mn moments $\mathbf{m}_{A}$ and $\mathbf{m}_{B}$ in $\alpha$ -MnTe structure (with Te octahedra) for the studied Néel vector $\mathbf{L}$ orientations. The mirror plane $\mathcal{M}$ discussed in the text is marked in blue. While in the right panel $\mathcal{M}$ is an element of the magnet

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルテルマグネットで補償反平行秩序をとる α-MnTe の場合に XMCD は現れるのか？
• RQ2 Néel ベクトル L の光伝播方向に対する向きが XMCD 信号にどのように影響するか？
• RQ3 α-MnTe の XMCD の微視的起源は価電子 SOC、核 SOC、またはコア–価電子相互作用のどれか、そしてこれを AHE とどう比較するか？
• RQ4 磁場領域ドメイン構造と場誘起カンティングが XMCD の大きさとスペクトルに与える影響は？
• RQ5 XMCD はアルテルマグネットのドメインとそのダイナミクスを画像化する光学的/顕微鏡的プローブとして機能するか？

主な発見

• Mn L2,3 エッジの XMCD スペクトルは、光に垂直な平面での L に特徴的な形状を示し、理論と実験の間で整合している。
• 測定された XMCD の大きさは、六つの容易軸 L 指向に対するドメイン平均化のため、計算値のおよそ10分の1程度小さい。
• k が L に parallel の場合、価電子 3d SOC の役割は無視できるほど小さい；核–価電子多重極相互作用はスペクトル形状を変えるが大きさには影響しない。
• k が L に perpendicular の場合、 XMCD は弱くなるが A と B サブレーティスからの寄与が合算され全体の XMCD を生む；その符号と存在は L の向きと対称性に依存し、ある平面内の軸に沿って L が向くと消える。
• 零場でのサブレートスの c 軸方向へのカンティングは、k ⟂ L 成分に比べて弱磁性 XMCD を無視できる程度に小さい；6 T 磁場では net m6T ≈ 0.1 μB がスペクトルを m6T/m_sat ≈ 1/50 にスケールさせ、理論と実験を整合させる。
• α-MnTe の XMCD は 3d 状態の価電子 SOC よりも、核 SOC と核–価電子交換相互作用の組合せから生じ、AHE 起源と異なる。

Figure 2: a) Mn $L_{2,3}$ -edge spectra in theory (black) and experiment (red dotted) for light propagating along the $c$ -axis. Top: XAS. Middle: XMCD in zero field after cooling in 6 T. Bottom: measured XMCD in the applied field of 6 T (red dotted), calculated XMCD for $\mathbf{k}$ parallel to the