[논문 리뷰] Crystal Hall effect in Collinear Antiferromagnets

Libor Šmejkal, Rafael González‐Hernández외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 02.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 비대칭 스핀 궤도 결합(ASOC)과 중심이 없는 위치에 있는 비자성 원자로 인해 시간역행 대칭성을 깨는 코herent 반자성체에서 발생하는 새로운 결정 홀 효과(CHE)를 제안한다. 이는 순자기 모멘트에 의존하지 않고도 시간역행 대칭성을 깨는 메커니즘을 제공하며, 실온에서 RuO₂에서 큰 홀 도전도를 유도하고 결정 편광성에 의해 신호를 제어할 수 있다. 이는 소산 없는 스핀트로닉스 장치를 위한 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

Electrons, commonly moving along the applied electric field, acquire in certain magnets a dissipationless transverse velocity. This spontaneous Hall effect, discovered more than a century ago, has been understood in terms of the time-reversal symmetry breaking by the internal spin-structure of a ferromagnetic, noncolinear antiferromagnetic or skyrmionic form. Here we identify previously overlooked robust Hall effect mechanism arising from collinear antiferromagnetism combined with nonmagnetic atoms at non-centrosymmetric positions. We predict a large magnitude of this crystal Hall effect in a room-temperature collinear antiferromagnet RuO$_2$ and catalogue, based on our symmetry rules, extensive families of material candidates. We show that the crystal Hall effect is accompanied by the possibility to control its sign by the crystal chirality. We illustrate that accounting for the full magnetization density distribution instead of the simplified spin-structure sheds new light on symmetry breaking phenomena in complex magnets and opens an alternative avenue towards quantum materials engineering for low-dissipation nanoelectronics.

연구 동기 및 목표

• 순자기 모멘트나 스핀 대칭성 붕괴에 의존하지 않는 코herent 반자성체에서 자발적 홀 효과를 위한 새로운 메커니즘을 규명하는 것.
• 비자성 원자가 중심이 없는 위치에 있을 경우 비대칭 스핀 궤도 결합(ASOC)을 통해 시간역행 대칭성을 깨는 메커니즘을 입증하는 것.
• 결정 홀 효과(CHE)를 지지하는 물질의 대칭 기반 분류 체계를 수립하고 후보 물질을 예측하는 것.
• 자기 구조를 유지하면서 결정 편광성을 뒤집음으로써 홀 도전도의 부호를 뒤바꿀 수 있음을 보여주는 것.
• 스핀 벡터만으로는 충분하지 않으며, 전체 자화 밀도 분포가 복잡한 자성체에서 대칭성 붕괴를 이해하는 데 필수적이라는 것을 드러내는 것.

제안 방법

• 코herent 반자성체에서 허용되는 홀 도전도 성분을 분류하기 위해 자성 공간군(MSG)과 자성 라우에군(MLG) 기반 이론적 프레임워크를 개발하였다.
• RuO₂와 Co₁/₃NbS₂와 같은 물질에서 스핀 궤도 결합(SOC)을 포함한 첫 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 홀 도전도 텐서를 계산하였다.
• 비자성 원자의 위치(반사 대칭성 붕괴)와 ASOC 간의 상호작용으로 기인하는 결정 홀 효과(CHE)를 정의하였다.
• 자기 모멘트 방향과 독립적으로 홀 반응의 부호를 제어할 수 있는 '결정 편광성'을 새로운 위상 자유도로 도입하였다.
• 자화 밀도 분포와 그 비대칭성을 분석하여 스핀 구조만을 고려한 모델은 CHE를 예측하는 데 부적절하다는 것을 보였다.
• 대칭 규칙과 MagnData 데이터베이스를 활용해 후보 물질 목록을 구축하였으며, RuO₂와 Co₁/₃NbS₂를 강력한 후보로 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순자기 모멘트나 비공선 스핀 구조 없이도 코herent 반자성체에서 자발적 홀 효과가 존재할 수 있는가?
• RQ2 비자성 원자가 중심이 없는 위치에 있을 경우 반자성체에서 시간역행 대칭성을 깨는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 자기 구조를 유지하면서 결정 편광성을 뒤집음으로써 홀 도전도의 부호를 제어할 수 있는가?
• RQ4 전체 자화 밀도 분포는 단순한 스핀 벡터 모델을 넘어서 홀 효과의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 대칭성과 전자 구조에 기반해 큰 결정 홀 효과를 갖는 물질은 무엇인가?

주요 결과

• 결정 홀 효과(CHE)는 RuO₂에서 매우 크며, [100] 방향에서 계산된 홀 도전도가 약 1000 (e²/h)에 도달함으로써 강한 소산 없는 운반 특성을 나타낸다.
• CHE는 비자성 원자가 중심이 없는 위치에 있을 때 유도되는 비대칭 스핀 궤도 결합(ASOC)으로 인해 발생하며, 순자기 모멘트가 필요 없이 시간역행 대칭성을 깨는 메커니즘을 제공한다.
• Co₁/₃NbS₂에서는 결정 편광성이 좌측에서 우측으로 뒤집힐 경우 홀 도전도가 부호를 바꾸며, 이는 효과의 편광성 제어를 입증한다.
• 네엘 벡터를 뒤집어도 홀 도전도가 유지됨으로써, 이 효과가 순수히 결정 편광성과 관련된 것이며 자성 구조에만 의존하지 않는다는 것이 확인되었다.
• 기존의 스핀 벡터 투영 기반 표준 모델은 CHE를 예측하지 못하며, 전체 자화 밀도 분포를 포함한 고려가 필요하다는 것이 드러났다.
• 대칭 규칙을 기반으로 한 포괄적인 후보 물질 목록을 수립하였으며, 실험적 실현을 위한 최상의 후보로 RuO₂와 Co₁/₃NbS₂를 규명하였다.