[논문 리뷰] Observation of non-volatile anomalous Nernst effect in altermagnet with collinear Néel vector

Lei Han, Xizhi Fu외 12명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 20.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 collinear Néel 벡터를 가지는 altermagnet Mn5Si3에서 비휘발성 비정상 Nernst 효과(ANE)를 관찰했으며, Berry-curvature 주도 ANE와 Mn 도핑에 의한 Fermi 준위 의존적 증강을 보인다.

ABSTRACT

Anomalous Nernst effect (ANE), a widely investigated transverse thermoelectric effect that converts waste heat into electrical energy with remarkable flexibility and integration capability, has been extended to antiferromagnets with non-collinear spin texture recently. ANE in compensated magnet with collinear Néel vector will bring more opportunities to construct magnetic-field-immune and ultrafast transverse thermoelectric converters, but remains unachieved for long. It is due to the degenerated band structure of traditional collinear compensated magnet excludes non-zero Berry curvature. Here, we realize non-volatile ANE in altermagnet Mn5Si3 thin film with collinear Neel vector, whose unique alternating spin-splitting band structure plays vital role in creating non-zero Berry curvature and hotpots of anomalous Nernst conductivity near band intersections. Interestingly, ANE is relatively weak in stoichiometric Mn5Si3, but undergoes a sixfold enhancement through strategically raising the Fermi level by additional Mn doping, indicating sensitive intrinsic influence from specific location of the Fermi level on ANE in altermagnet. Moreover, our investigation reveals a unique Neel-vector-dependent temperature-scaling relationship of anomalous Nernst conductivity in Mn5Si3. Our work not only fills a longstanding gap by confirming the presence of non-volatile ANE in collinear compensated magnet, but also enlightens thermoelectric physics related to exotic spin-splitting band structure in altermagnet.

연구 동기 및 목표

• collinear 보상 자성에서 ANE를 탐구하는 동기를 부여하여 자기장에 면한 초고속 열전 변환을 달성한다.
• collinear Néel 벡터를 가진 Mn5Si3 박막에서 비휘발성 ANE를 시연한다.
• Mn 도핑을 통한 Fermi 준위 조정이 이 altermagnet에서 ANE 크기에 어떤 영향을 미치는지 보여준다.

제안 방법

• Fermi 준위를 조절하기 위해 제어된 Mn 도핑으로 Mn5Si3 박막을 실험적으로 성장시킨다.
• 비정상 Nernst 전도도를 측정하고 이를 스핀-분리 밴드 구조 및 밴드 교차부 근처의 Berry curvature 핫스폿과 연관시킨다.
• Néel 벡터 방향 및 온도에 따른 ANE의 의존성을 분석하여 스케일링 거동을 밝힌다.
• 스톡계 Mn5Si3와 도핑된 샘플을 비교하여 Fermi 레벨 위치에 대한 ANE의 본질적 민감성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대치하는(collinear compensated) 자성에서 altermagnetic spin-splitting 밴드로 비휘발성 ANE를 실현할 수 있는가?
• RQ2 고유한 교대(spin-splitting) 밴드 구조가 Mn5Si3에서 Berry curvature와 ANE에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Mn 도핑으로 유도된 Fermi 준위 이동이 ANE의 크기에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 Mn5Si3에서 Néel 벡터 의존 온도 스케일링이 비정상 Nernst 전도도에 존재하는가?

주요 결과

• 비휘발성 ANE가 collinear Néel 벡터를 가진 Mn5Si3 박막에서 실현된다.
• 알터마그넷의 스핀-분리 밴드 구조는 밴드 교차부 근처에서 비제로 Berry curvature와 Nernst 전도도 핫스폿을 만든다.
• ANE는 스토이키오메트릭 Mn5Si3에서 약하고 Mn 도핑을 통해 Fermi 준위를 올리면 약 6배 증가한다.
• Néel 벡터 의존 온도 스케일링 관계가 관찰된다.
• 본 연구는 collinear 보상 자 magnets에서 비휘발성 ANE의 존재를 보여주고 열전 응답을 altermagnetic spin-splitting 밴드와 연결한다.