[논문 리뷰] Magnetic-field modulation of topological electronic states and emergent magneto-transport in a magnetic Weyl semimetal

Jianlei Shen, Jiacheng Gao외 17명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 05.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 자성 Weyl 반도체인 EuB6에서 외부 자석장에 의해 유도되는 위상적 전자 상태의 조절을 보여주며, 외부 자석장이 비평행 자성을 유도하고 위상적 반교차 밴드를 접어내어 강한 Berry 곡률을 생성하고 거대한 비보편적인 이상 홀 효과(Giant Unconventional Anomalous Hall Effect, UAHE)를 유도한다. 이 효과는 약 ~5 kOe에서 최대에 이르며, 실공간의 자성과 운동량 공간의 위상적 위상학적 성질 간의 연계를 확인하고, 위상적 스피노트로닉스를 위한 조절 가능한 자화 운반 특성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The modulation of topological electronic states by an external magnetic field is highly desired for condensed matter physics. Schemes to achieve this have been proposed theoretically, but few can be realized experimentally. Here, combining transverse transport, theoretical calculations, and scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/S) investigations, we provide an observation that the topological electronic states, accompanied by an emergent magneto-transport phenomenon, were modulated by applying magnetic fields through induced non-collinear magnetism in the magnetic Weyl semimetal EuB6. A giant unconventional anomalous Hall effect (UAHE) is found during the magnetisation re-orientation from easy axis to hard ones in magnetic fields, with a UAHE peak around the low field of 5 kOe. Under the reasonable spin-canting effect, the folding of the topological anti-crossing bands occurs, generating a strong Berry curvature that accounts for the observed UAHE. Field-dependent STM/S reveals a highly synchronous evolution of electronic density of states, with a dI/dV peak around the same field of 5 kOe, which provides evidence to the folded bands and excited UAHE by external magnetic fields. This finding elucidates the connection between the real-space non-collinear magnetism and the k-space topological electronic states and establishes a novel manner to engineer the magneto-transport behaviours of correlated electrons for future topological spintronics.

연구 동기 및 목표

• 자성 Weyl 반도체에서 외부 자기장에 의한 위상적 전자 상태의 조절을 실험적으로 입증하는 것.
• 실공간의 비평행 자성과 운동량 공간의 위상적 밴드 구조 사이의 연관성을 설정하는 것.
• 자기장에 의해 유도된 자화 재정렬 조건 하에서 나타나는 새로운 자화 운반 현상, 특히 비보편적인 이상 홀 효과(UAHE)를 탐구하는 것.
• 외부 자기장을 통해 관련 전자 운반 특성을 위상적 물질에서 공학적으로 설계할 수 있는 새로운 길을 제공하는 것.

제안 방법

• 다양한 자기장 조건에서 비보편적인 이상 홀 효과(UAHE)를 탐지하기 위한 횡방향 운반 측정.
• 원자 스케일에서 자기장 의존 전자 상태 밀도(DOS)를 맵핑하기 위한 스캐닝 턨널링 현미경/스펙트로스코피(STM/S) 측정.
• 비평행 자성 하에서의 스핀 기울임 효과를 모델링하고, 밴드 접힘 현상을 예측하기 위한 이론적 계산.
• 외부 자기장에 따라 자화가 쉬운 축에서 딱딱한 축으로 재정렬되는 과정을 분석하여 UAHE 반응과 연관시키는 것.
• 비평행 자성 하에서 발생하는 강한 Berry 곡률을 설명하기 위해 스핀 기울임 모델을 사용하는 것.
• STM/S에서의 dI/dV 피크와 UAHE 최대치 간의 상관관계를 통해 자기장에 의해 유도된 밴드 재구성 확인

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장은 자성 Weyl 반도체인 EuB6에서 위상적 전자 상태를 어떻게 조절하는가?
• RQ2 자기장 하에서 약 ~5 kOe에서 관측된 거대한 비보편적인 이상 홀 효과(UAHE)의 기원은 무엇인가?
• RQ3 자기장에 의해 유도된 스핀 기울임에 의해 유도되는 비평행 자성은 밴드 접힘과 증가한 Berry 곡률에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 자기장 조절 조건 하에서 전자 상태 밀도와 위상적 밴드 구조는 어떻게 동기적으로 진화하는가?
• RQ5 나노스케일에서 자기장에 의해 유도된 위상적 상태는 어떻게 탐지되고, 새로운 자화 운반 현상과 연관될 수 있는가?

주요 결과

• 거대한 비보편적인 이상 홀 효과(UAHE)가 약 5 kOe에서 최대에 이르며, 이는 EuB6에서 자화가 쉬운 축에서 딱딱한 축으로 재정렬되는 시점과 일치한다.
• 자기장 의존성 STM/S 측정 결과, 약 5 kOe에서 dI/dV 피크가 관측되어 밴드 접힘과 일치하는 전자 상태 밀도의 동기적 진화를 나타낸다.
• 관측된 UAHE는 비평행 자성 하에서 위상적 반교차 밴드가 접히면서 강한 Berry 곡률이 생성됨에 기인한다.
• 이론적 모델링은 자기장 하에서의 스핀 기울임이 밴드 접힘과 Berry 곡률 증강을 위한 필수 대칭성 깨짐을 유도함을 확인한다.
• 이 연구는 실공간의 비평행 자성과 Weyl 반도체 내 운동량 공간의 위상적 전자 상태 사이의 직접적인 연관성을 설정한다.
• 이러한 발견은 외부 자기장을 통해 관련 전자 운반 특성을 위상적 물질에서 공학적으로 설계할 수 있는 새로운 메커니즘을 제공한다.