[논문 리뷰] Anomalous skew-scattering nonlinear Hall effect and chiral photocurrents in {\it PT}-symmetric antiferromagnets

Da Ma, Arpit Arora외 2명|PubMed|2022. 10. 26.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 PT 대칭성을 가진 반도체에서 스핀에 의존하는 기울기 산산각산산성과 기브리 커브처가 함께 작용하여, 내재 및 전통적인 외재성 헬 효과가 0이 되는 조건에서도 두 번째 차수 비선형 헬 전류를 생성하는 새로운 기법인 비정상 기울기 산산각산 비선형 헬 효과(ASN)를 제안한다. 주요 결과는 ASN이 THz 영역에서 편광 수직성에 따라 달라지는 채널 광전류를 생성하며, 이는 반도체의 순서를 탐지하는 새로운 수단이 될 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Berry curvature and skew scattering play central roles in determining both the linear and nonlinear anomalous Hall effects. Yet in PT-symmetric antiferromagnetic metals, Hall effects from either intrinsic Berry curvature mediated anomalous velocity or the conventional skew-scattering process individually vanish. Here we reveal an unexpected nonlinear Hall effect that relies on both Berry curvature and skew-scattering working in cooperation. This anomalous skew-scattering nonlinear Hall effect (ASN) is PT even and dominates the low-frequency nonlinear Hall effect for PT-symmetric antiferromagnetic metals. Surprisingly, we find that in addition to its Hall response, ASN produces helicity dependent photocurrents, in contrast to other known PT-even nonlinearities in metals that are helicity blind. This characteristic enables us to isolate ASN and establishes new photocurrent tools to interrogate the antiferromagnetic order of PT-symmetric metals.

연구 동기 및 목표

• PT 대칭성을 가진 반도체에서 내재 및 전통적인 외재성 헬 효과가 모두 0이 되는 조건에서 기브리 커브처와 기울기 산산각산이 비선형 헬 효과를 생성할 수 있는지 여부에 대한 역설을 해결하기 위해.
• 스핀에 의존하는 비정상 속도와 기울기 산산각산 분포의 상호작용으로 인해 발생하는 새로운 메커니즘인 ASN을 규명하고, 이가 PT 대칭성 하에서도 유지되는지를 밝히기 위해.
• ASN이 금속적 한계에서 편광 수직성에 따라 달라지는 채널 광전류를 생성함을 보여주며, 이는 다른 PT-짝형인 비선형성과 대비되는 특징이다.
• 청결한 PT 대칭성을 가진 반도체에서 ASN이 지배적인 외재성 비선형 헬 응답임을 확립하며, 저주파수 영역에서 내재 비선형 헬 효과를 능가함을 보여주기 위해.
• 주파수 및 편광 수직성에 민감한 광전류 측정을 통해 반도체 순서를 탐지하는 새로운 실험적 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 스핀-오르빗 결합과 네엘 순서를 포함한 최소 두 밴드 블로흐 해밀토니안을 이론적으로 분석하여, PT 대칭성을 가진 반도체 금속을 모델링하기 위해.
• 비정상 기울기 산산각산 비선형 헬 전류를 반구상 보른졸트만 접근을 사용하여 유도하며, 이는 스핀에 의존하는 기울기 산산각산 비율과 기브리 커브처에서 기인하는 비정상 속도를 포함한다.
• 유니터리 변환을 사용하여 해밀토니안을 블록 대각형으로 변환하고, 가짜 스핀 고유상태를 식별함으로써 스핀 정렬이 깨진 상태에서도 유효한 반구상 처리를 가능하게 한다.
• ASN 및 내재 비선형 헬(INH) 메커니즘의 비선형 헬 수용도(χ_xy_x)를 계산하고, 주파수 및 화학적 위치 에너지 의존성을 비교한다.
• 수용도의 허수 부분을 분석하여 ASN과 INH를 구별함. 단지 ASN만이 주파수 의존성 허수 성분을 보임.
• 실제 매개변수(t = 1 eV, λ = 0.8t, Jₙ = 0.6t, t′ = 0.08t)를 사용하여 [110] 방향의 네엘 벡터를 가진 2D CuMnAs 모델에서 비선형 응답을 수치적으로 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PT 대칭성을 가진 반도체에서 내재 기브리 커브처와 전통적 기울기 산산각산 기여가 모두 0이 되는 조건에서 비선형 헬 효과가 유지될 수 있는가?
• RQ2 PT 대칭 시스템에서 기울기 산산각산과 기브리 커브처의 상호작용으로 인해 발생하는 비선형 헬 응답의 성격은 무엇인가?
• RQ3 제안된 비정상 기울기 산산각산 비선형 헬 효과(ASN)는 편광 수직성에 따라 달라지는 광전류를 생성하는가? 만약 그렇다면, 다른 PT-짝형 비선형성과 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ4 청결한 한계에서 ASN 응답이 내재 비선형 헬 효과와 비교하여 크기 및 주파수 의존성 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ5 ASN에 의해 매개되는 주파수 및 편광 수직성에 민감한 광전류는 반도체 순서 탐지의 진단 도구로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 비정상 기울기 산산각산 비선형 헬 효과(ASN)는 PT-짝형인데도 불구하고, 내재 및 전통적 외재성 헬 효과가 모두 0이 되는 조건에서 PT 대칭성을 가진 반도체에서 유지된다.
• 청결한 PT 대칭성을 가진 반도체에서 ASN은 저주파수 비선형 헬 응답을 지배하며, 실제 산란 시간(τ ≈ 15–40 fs) 조건에서 내재 비선형 헬 효과(INH)보다 크기 측면에서 뛰어나다.
• ASN 수용도의 허수 부분은 비영이며 주파수 의존성이 있으며, 반면 INH 수용도는 실수이므로 두 메커니즘 간의 명확한 실험적 구별이 가능하다.
• ASN은 THz 영역에서 편광 수직성에 따라 달라지는 채널 광전류를 생성하며, 이는 금속에서 알려진 다른 PT-짝형 비선형성에서는 관찰되지 않는 고유한 특징이다.
• 네엘 벡터가 [110] 방향인 2D CuMnAs 모델에서, 전도대에서 ASN 수용도는 INH를 2–3배 초월하며, 피크 값은 V₀ = 2.7×10⁻¹³ cm²/eV일 때 약 ~10⁻¹³ cm²/eV에 도달한다.
• 전도대에서 ASN과 INH 응답의 부호는 반대이므로, 이는 운반체 측정에서 두 응답을 분리하는 서명으로 활용될 수 있다.