[논문 리뷰] Impact of antiferromagnetic order on Landau level splitting of quasi-two-dimensional Dirac fermions in EuMnBi$_2$

H. Masuda, Hideaki Sakai외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 28.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 유럽망간비화물(EuMnBi₂)의 반자성 질서가 준2차원 디рак 페르미온의 랑주 수준에서 강한 스핀 분리(spin-splitting)를 유도함을 밝혀내며, 반자성 상태에서 효과적 g인자(g*)가 자석의 반전 상태에 비해 약 50% 증가함을 보여준다. 이 효과는 디랙 페르미온과 국소화된 Eu²⁺ 스핀 간의 강화된 교환 상호작용에서 기인하며, 첫 원리 계산을 통해 교환 분리 에너지가 증거된 제이먼 에너지와 유사한 크기임을 확인하였다.

ABSTRACT

We report spin-split Landau levels of quasi-two-dimensional Dirac fermions in a layered antiferromagnet EuMnBi$_2$, as revealed by interlayer resistivity measurements in a tilted magnetic field up to $\sim$35 T. The amplitude of Shubnikov-de Haas (SdH) oscillation in interlayer resistivity is strongly modulated by changing the tilt angle of the field, i.e., the Zeeman-to-cyclotron energy ratio. The effective $g$ factor estimated from the tilt angle, where the SdH oscillation exhibits a phase inversion, differs by approximately 50% between two antiferromagnetic phases. This observation signifies a marked impact of the magnetic order of Eu sublattice on the Dirac-like band structure. The origin may be sought in strong exchange coupling with the local Eu moments, as verified by the first-principles calculation.

연구 동기 및 목표

• EuMnBi₂의 반자성 질서가 준2차원 디랙 페르미온의 랑주 수준 분리에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 다층 저항도에서 관측된 필드각도 의존성의 쇼비니코프-디하아스(SdH) 진동의 기원을 규명하는 것.
• 디랙 페르미온과 국소화된 Eu²⁺ 순간모멘트 간의 교환 상호작용이 효과적 g인자 조절에 미치는 역할을 명확히 하는 것.
• 부피 디랙 반도체에서 자성 질서와 밴드 구조 재정규화 사이의 직접적 연관성을 설정하는 것.

제안 방법

• 랭주 수준 양자화를 조사하기 위해 기울인 자기장(약 35 T 이하)에서 다층 저항도(ρzz) 측정을 수행하였다.
• SdH 진동의 기울기 각도 의존성을 분석하여 제이먼-사이클로트론 에너지 비율을 추출하고, 효과적 g인자(g*)를 결정하였다.
• Eu²⁺ 스핀의 다양한 자기 상태에서의 디랙 밴드 구조를 모델링하기 위해 첫 원리 계산을 사용하였다.
• 계산된 밴드 분리에서 자기화율과 교환 상호작용 에너지(Eex)를 추정하였으며, 실험적 제이먼 에너지(EZ)와 비교하였다.
• SdH 진동 주파수와 위상 이동에서 피에르 표면 단면적(SF)과 사이클로트론 효과 질량(mc)을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Eu²⁺의 반자성 질서는 EuMnBi₂에서 랑주 수준 분리에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 반자성(AFM) 상태와 자석의 반전 반자성(AFM) 상태 사이에서 관측된 효과적 g인자에 50%의 차이가 발생하는 기원은 무엇인가?
• RQ3 디랙 페르미온과 Eu²⁺ 순간모멘트 사이의 교환 상호작용은 관측된 밴드 분리에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 Eu 서브격자 자기 상태는 사이클로트론 효과 질량과 피에르 표면 기하학에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 효과적 g인자(g*)는 반자성 상태에서 9.8(4), 자석의 반전 반자성 상태에서 6.6(4)로 측정되어 반자성 상태에서 약 50% 증가함을 나타낸다.
• 피에르 표면 단면적(SF)은 두 상태 간에 거의 일정하게 유지되며(약 0.186–0.191 nm⁻²), 피에르 표면 크기의 변화가 미미함을 시사한다.
• 사이클로트론 효과 질량(mc)은 반자성 상태에서 0.097(2)m₀, 자석의 반전 반자성 상태에서 0.122(2)m₀로 측정되어 반자성 상태에서 감소함을 보여준다.
• 첫 원리 계산 결과, 자석의 반전 반자성 상태에서의 교환 상호작용 에너지(Eex)는 약 50–80 meV로 측정되며, 이는 제이먼 에너지(~13 meV)와 유사한 크기임을 확인하였다. 이는 증가한 g*를 설명할 수 있다.
• 자석의 반전 반자성 상태에서의 밴드 분리는 주로 횡방향 자기화율에서 기인하며, 이로 인해 스핀 업과 다운 디랙 밴드의 강한 교환 분리가 발생한다.
• 반자성 상태에서 관측된 g* 증가는 디랙 페르미온과 Eu²⁺ 순간모멘트 사이의 큰 교환 상호작용(J ≈ 14–23 meV) 덕분이며, 이 J는 고유의 g*인자와 반대 부호를 가진다.