[논문 리뷰] Coexistence of Anomalous Hall Effect and Weak Net Magnetization in Collinear Antiferromagnet MnTe

Katarzyna Kluczyk-Korch, Katarzyna Gas외 13명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 13.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 기존에 자화 보상으로 간주되던 정렬된 반자성체인 헥사곤형 MnTe에서 측정 가능한 비정상 홀 효과(AHE)와 약한 순 자화의 공존을 보여준다. Dzyaloshinskii–Moriya 유사 상호작용을 포함한 현상학적 매크로스핀 모델을 사용하여, 저자들은 이러한 약한 강자성 유사 모멘트가 Néel 벡터의 degeneracy를 깨뜨려, 완전한 자화 보상이 없더라도 히스테리시스 AHE 거동을 가능하게 한다고 밝힌다. 주요 기여는 유한한 순 자화가 AHE 신호의 평균화를 방지함으로써, Néel 벡터 방향과 운반성 응답을 연결하는 메커니즘을 규명한 데 있다.

ABSTRACT

Anomalous Hall effect (AHE) plays important role in the rapidly developing field of antiferromagnetic spintronics. It has been recently discussed that it can be a feature of not only uncompensated magnetic systems but also in altermagnetic materials. Hexagonal MnTe belongs to this appealing group of compounds exhibiting AHE and is commonly perceived as magnetically compensated. Here, we demonstrate that bulk form of MnTe exhibits small but detectable magnetic moment correlating with hysteretic behaviour of the AHE. We formulate a phenomenological model which explains how this feature allows to create a disbalance between states with opposite Néel vector and prevent the AHE signal from averaging out to zero. Moreover, we show how the dependence of AHE on the Néel vector arises on microscopical level and highlight the differences in Berry curvature between magnetically compensated and uncompensated systems.

연구 동기 및 목표

• 기존에 자화 보상으로 간주되던 정렬된 반자성체인 부피 헥사곤형 MnTe에서 비정상 홀 효과(AHE)의 기원을 규명하는 것.
• 부피 MnTe에 약한 순 자화가 존재하는지와 그 AHE 및 자화 히스테리시스와의 상관관계를 확인하는 것.
• 외부 자기장 하에서 Néel 벡터 재정렬을 설명하는 Dzyaloshinskii–Moriya 유사 상호작용과 Néel 벡터 방향을 포함한 현상학적 매크로스핀 모델을 개발하는 것.
• 근본적인 AHE 메커니즘과 순 자화 기여의 외재적 기여를 운반성 측정에서 구분하는 것.
• 근본적인 AHE 메커니즘과 순 자화 기여의 외재적 기여를 운반성 측정에서 분리하는 것.

제안 방법

• 기판 및 스트레인 효과를 제거하기 위해 증기상 운반을 통해 고품질의 자유상태 부피 MnTe 단일결정을 제작하는 것.
• 약한 강자성 유사 모멘트(WFL)와 히스테리시스 AHE를 탐지하기 위해 정량적 부피 자화 측정 및 전기저항 측정을 수행하는 것.
• 외부 자기장 하에서 에너지 장과 Néel 벡터 재정렬을 기술하기 위해 Dzyaloshinskii–Moriya 유형 상호작용을 포함한 현상학적 매크로스핀 모델을 적용하는 것.
• 다양한 자기장(B_J, B_K, B_D) 하에서 Néel 벡터 각도(α₁, α₂)에 따른 에너지 의존도를 시뮬레이션하여 히스테리시스 거동을 재현하는 것.
• Berry 곡률 분포를 분석하여 자화 보상 상태와 보상되지 않은 상태에서의 AHE 메커니즘을 비교하는 것.
• Raman 스펙트로스코피 및 다중 독립적 방법을 사용하여 Néel 전이 온도(T_N)를 정밀하게 결정하는 것.

Figure 1: Crystal structure of hexagonal MnTe, with cyan and yellow balls representing Mn atoms with arrows indicating magnetic moments. Violet arrow shows Néel vector orientation.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MnTe와 같은 부피 정렬 반자성체에서 측정 가능한 비정상 홀 효과(AHE)와 약한 순 자화가 동시에 존재할 수 있는가?
• RQ2 MnTe의 AHE와 자화에서 관측된 히스테리시스 거동의 기원은 무엇인가?
• RQ3 유한한 순 자화가 반대 방향 Néel 벡터 상태 간의 디제너레이션을 어떻게 깨뜨려 비제로 AHE 신호를 가능하게 하는가?
• RQ4 Dzyaloshinskii–Moriya 유사 상호작용이 MnTe에서 관측된 히스테리시스 자화 및 AHE를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 근본적인 순 자화가 거의 0인 시스템에서 Berry 곡률은 AHE를 어떻게 가능하게 하는가? 이는 자화 보상 반자성체와 어떻게 다를까?

주요 결과

• 부피 MnTe는 히스테리시스 AHE 거동과 관련된 작지만 검출 가능한 순 자화 모멘트를 나타낸다.
• MnTe의 비정상 홀 효과는 잔류 자화와 동일한 온도 의존성을 보이며, 모두 Néel 전이 온도(T_N) 이상에서 사라진다. T_N는 다중 독립적 방법을 통해 정밀하게 결정되었다.
• Dzyaloshinskii–Moriya 유사 상호작용을 포함한 현상학적 매크로스핀 모델은 AHE 및 자화의 히스테리시스 거동을 성공적으로 재현하였으며, DMI 자기장(B_D)은 수 테슬라 수준이다.
• 모델은 DMI 자기장(B_D) 또는 비대칭 자기장(B_K)을 증가시킬수록 히스테리시스 폭이 증가함을 예측하며, 이는 실험적 온도 변화와 일치한다.
• Berry 곡률에 대한 이론적 분석은 순 자화가 없더라도 Néel 벡터가 완전히 디제너레이션되어 있지 않다면 AHE가 지속될 수 있음을 보여주며, 이는 완전히 보상된 시스템과의 핵심적 차이를 드러낸다.
• 이 연구는 MnTe에서 AHE 발생에 있어 유한한 순 자화가 필수적인 조건은 아니지만, Néel 벡터 디제너레이션을 깨뜨리고 실제 시료에서 관측 가능한 비제로 AHE 신호를 가능하게 하기 위해 필수적임을 입증한다.

Figure 3: (a) Resistivity and magnetic susceptibility dependence on temperature of the studied hexagonal MnTe samples. (b) The peak in the first derivative of susceptibility $\mathrm{d}\chi/\mathrm{d}T$ and resistivity $\mathrm{d}\rho_{xx}/\mathrm{d}T$ at the Néel temperature.