[논문 리뷰] Anomalous thermal Hall effect in the topological antiferromagnetic state

Kaori Sugii, Yusuke Imai외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 18.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 42인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 비편향 열홀 효과(ATHE)가 스핀의 비대칭성에 기인한 편향 없는 내재 메커니즘에 의해 발생하며, 이는 베리 곡률에 의해 유도되는 것으로 밝혀졌으며, 넓은 온도 범위에서 ATHE 크기가 비정상적 홀 도전도와 선형적으로 비례함을 보여준다. 결과적으로, 이는 자기적 웨일 fermion과 그들이 유도하는 위상적 상태가 강건한, 외부 자기장에 의존하지 않는 홀 반응을 담당하고 있음을 확인한다.

ABSTRACT

The anomalous Hall effect (AHE), a Hall signal occurring without an external magnetic field, is one of the most significant phenomena. However, understanding the AHE mechanism has been challenging and largely restricted to ferromagnetic metals. Here, we investigate the recently discovered AHE in the chiral antiferromagnet Mn3Sn by measuring a thermal analog of the AHE, known as an anomalous thermal Hall effect (ATHE). The amplitude of the ATHE scales with the anomalous Hall conductivity of Mn3Sn over a wide temperature range, demonstrating that the AHE of Mn3Sn arises from a dissipationless intrinsic mechanism associated with the Berry curvature. Moreover, we find that the dissipationless AHE is significantly stabilized by shifting the Fermi level toward the magnetic Weyl points. Thus, in Mn3Sn, the Berry curvature emerging from the proposed magnetic Weyl fermion state is a key factor for the observed AHE and ATHE.

연구 동기 및 목표

• 기존의 강자성 모델을 초월하여, 위상적 반자성체 Mn3Sn에서 비정상적 홀 효과(AHE)의 기원을 규명하는 것.
• AHE가 베리 곡률에 연관된 소산 없는 내재 메커니즘에 기인하는지 확인하는 것.
• 화이트 수준이 자기적 웨일 점 주변에서 어떻게 위치하는지가 AHE의 안정성에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• 비정상적 홀 도전도와 비정상적 열홀 효과(ATHE) 사이의 정량적 관계를 수립하는 것.
• 열전도 측정을 통해 Mn3Sn에서 자기적 웨일 페르미온으로 특징지어지는 위상적 상태의 존재를 확인하는 것.

제안 방법

• 다양한 온도와 자기장 조건에서 단결정 Mn3Sn에서 비정상적 열홀 효과(ATHE)를 측정하는 것.
• 비정상적 홀 도전도(σxy)와 열홀 도전도(κxy)를 동시에 측정하여 온도 의존성의 비교를 수행하는 것.
• 역방향 광전자 방출 분석(ARPES)과 밴드 구조 계산을 활용하여 전자 구조를 매핑하고 웨일 점을 규명하는 것.
• 화학 도핑 또는 전기적 게이팅을 통해 화이트 수준을 조절하여 AHE 및 ATHE에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• σxy와 κxy 사이의 스케일링 행동 분석을 통해 외재적 메커니즘과 내재된 베리 곡률 기여를 구분하는 것.
• 첫 번째 원리 계산을 사용한 이론적 모델링을 통해 베리 곡률을 계산하고 실험 관측 결과를 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 편향 없는 반자성체 Mn3Sn에서 비정상적 홀 효과의 미세한 기원은 무엇인가?
• RQ2 Mn3Sn에서 비정상적 열홀 효과가 비정상적 홀 도전도와 비례하는가? 이는 공통된 내재 메커니즘을 시사하는가?
• RQ3 화이트 수준을 자기적 웨일 점 쪽으로 이동시키면 소산 없는 AHE의 안정성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 Mn3Sn에서 비정상적 홀 반응이 위상적 웨일 페르미온에서 기인한 베리 곡률에 얼마나 의존하는가?
• RQ5 열홀 반응은 반자성체 시스템에서 비정상적 홀 효과의 내재적 위상적 성질을 신뢰할 만한 탐사 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• Mn3Sn에서 비정상적 열홀 도전도(κxy)는 넓은 온도 범위에서 비정상적 홀 도전도(σxy)와 선형적으로 비례하며, 이는 공통된 내재 기원을 시사한다.
• 관측된 스케일링 행동은 전자 밴드 구조 내에서 베리 곡률에 의해 유도된 소산 없는 내재 메커니즘이 강력히 지지됨을 나타낸다.
• 화이트 수준을 자기적 웨일 점 주변으로 조정할 경우 AHE 및 ATHE가 크게 향상되고 안정화된다.
• 결과적으로, 자기적 웨일 페르미온으로 특징지어지는 위상 상태가 Mn3Sn에서 강건하고 자기장에 의존하지 않는 홀 반응을 생성함을 확인한다.
• σxy와 κxy 사이의 강력한 스케일링 행동으로 인해 외재적 기여(예: 기울기 산산, 측면 점프)가 없음을 유추할 수 있다.
• 첫 번째 원리 계산은 웨일 점 주변에서 비영인 베리 곡률의 존재를 확인하였으며, 관측된 전도 이질성과 일치한다.