[논문 리뷰] Large anomalous Nernst effect in a van der Waals ferromagnet Fe$_3$GeTe$_2$

Jinsong Xu, W. Adam Phelan외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 30.

2D Materials and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 2D 반데르발스 페로자성체인 Fe₃GeTe₂에서 큰 비정상 네르스트 효과를 보고하며, 비정상 네르스트 각도와 비정상 홀 각도가 각각 0.09와 0.07에 도달하여 전통적인 페로자성체보다 현저히 크다. 이 효과는 패밀리 수준 근처의 큰 베리 곡률에서 기인하며, 이는 위상적 성질을 나타내며, 스핀 칼로리트로닉스 응용 가능성과 함께 Fe₃GeTe₂가 위상적 노드 라인 반도체 후보로 적합함을 뒷받침한다.

ABSTRACT

Anomalous Nernst effect, a result of charge current driven by temperature gradient, provides a probe of the topological nature of materials due to its sensitivity to the Berry curvature near the Fermi level. Fe3GeTe2, one important member of the recently discovered two-dimensional van der Waals magnetic materials, offers a unique platform for anomalous Nernst effect because of its metallic and topological nature. Here, we report the observation of large anomalous Nernst effect in Fe3GeTe2. The anomalous Hall angle and anomalous Nernst angle are about 0.07 and 0.09 respectively, far larger than those in common ferromagnets. By utilizing the Mott relation, these large angles indicate a large Berry curvature near the Fermi level, consistent with the recent proposal for Fe3GeTe2 as a topological nodal line semimetal candidate. Our work provides evidence of Fe3GeTe2 as a topological ferromagnet, and demonstrates the feasibility of using two-dimensional magnetic materials and their band topology for spin caloritronics applications.

연구 동기 및 목표

• Fe₃GeTe₂에서 비정상 네르스트 효과를 연구하기 위해, 잠재적인 위상적 성질을 지닌 2차원 반데르발스 페로자성체를 대상으로 한다.
• 온도 기울기에 대한 반응을 통해 Fe₃GeTe₂의 위상적 성질을 탐구한다.
• 비정상적인 밴드 위상 구조를 지닌 2차원 자성체를 스핀 칼로리트로닉스 응용에 활용할 수 있는지 평가한다.
• 이 물질에서 비정상 네르스트 효과의 크기와 그 베리 곡률과의 관계를 규명한다.

제안 방법

• 기계적 분리된 Fe₃GeTe₂ 플레이크에서 적용된 온도 기울기에 따른 비정상 네르스트 전압 측정.
• 비정상 네르스트 각도와 비정상 홀 각도로부터 베리 곡률을 추출하기 위해 Mott 관계를 사용한다.
• 전기적 운반 특성 측정을 위해 기계적으로 분리된 Fe₃GeTe₂ 플레이크에 홀바 장치를 제작한다.
• 온도 의존성 운반 특성 데이터 분석을 통해 일반 네르스트 효과에서 비정상 네르스트 기여를 분리한다.
• 실험적 각도를 위상적 노드 라인 반도체에 대한 이론적 예측과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe₃GeTe₂에서 비정상 네르스트 효과의 크기는 얼마이며, 전통적인 페로자성체와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 Fe₃GeTe₂에서 비정상 네르스트 효과는 패밀리 수준 근처의 베리 곡률과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 최근의 이론적 제안에 따르면 Fe₃GeTe₂는 위상적 노드 라인 반도체인가?
• RQ4 Fe₃GeTe₂에서 큰 비정상 네르스트 효과는 그 내재된 위상적 전자 구조에서 기인하는가?
• RQ5 비정상 네르스트 반응에 기반하여 Fe₃GeTe₂는 스핀 칼로리트로닉스 응용에 어떤 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• Fe₃GeTe₂에서 비정상 네르스트 각도는 0.09에 도달하며, 전통적인 페로자성체의 일반적인 값보다 현저히 크다.
• 비정상 홀 각도는 약 0.07로 측정되어 강한 스핀-오비탈 결합과 비자명한 밴드 위상 구조를 나타낸다.
• 큰 비정상 네르스트 및 홀 각도는 패밀리 수준 근처의 큰 베리 곡률과 일치한다.
• 관측된 운반 특성 반응은 Fe₃GeTe₂가 위상적 노드 라인 반도체일 가능성이 이론적 제안을 뒷받침한다.
• 결과는 비자명한 위상 구조를 지닌 2차원 자성체를 스핀 칼로리트로닉스 응용에 활용할 수 있음을 보여준다.