[논문 리뷰] Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet

Yupeng Zhu, Xiaobing Chen외 28명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 58인용 수 9

한 줄 요약

본 논문은 MnTe2라는 비평면 반강자성체에서 격자무늬와 같은(spin) 텍스처와 스핀 분리가 스펙트로스코피와 계산적 방법으로 증명되었으며, 이는 스핀-궤도 커플링이 아닌 AFM 순서에서 기인한다.

ABSTRACT

Spatial, momentum and energy separation of electronic spins in condensed matter systems guides the development of novel devices where spin-polarized current is generated and manipulated. Recent attention on a set of previously overlooked symmetry operations in magnetic materials leads to the emergence of a new type of spin splitting, enabling giant and momentum-dependent spin polarization of energy bands on selected antiferromagnets. Despite the ever-growing theoretical predictions, the direct spectroscopic proof of such spin splitting is still lacking. Here, we provide solid spectroscopic and computational evidence for the existence of such materials. In the noncoplanar antiferromagnet MnTe$_2$, the in-plane components of spin are found to be antisymmetric about the high-symmetry planes of the Brillouin zone, comprising a plaid-like spin texture in the antiferromagnetic (AFM) ground state. Such an unconventional spin pattern, further found to diminish at the high-temperature paramagnetic state, stems from the intrinsic AFM order instead of spin-orbit coupling (SOC). Our finding demonstrates a new type of quadratic spin texture induced by time-reversal breaking, placing AFM spintronics on a firm basis and paving the way for studying exotic quantum phenomena in related materials.

연구 동기 및 목표

• 자기 순서에서 비롯된 비정형 스핀 분리에 대한 탐구를 반강자성체에서 모티브로 삼는다.
• MnTe2에서 격자무늬 같은(spin) 텍스처를 보여주고 이를 스핀-궤도 커플링 효과와 구분한다.
• 관찰된 스핀 패턴이 높은 온도 구간의 paramagnetic 상태에서 감소하는 것을 보여주어 그 기원이 AFM임을 확인한다.

제안 방법

• 스펙트로스코피 측정과 1차 원리 계산을 결합하여 MnTe2에서의 스핀 텍스처를 매핑한다.
• 고대칭 Brillouin 존 평면에 대해 비대칭인 in-plane 스핀 성분을 식별한다.
• AFM 바닥 상태와 고온의 paramagnetic 상태 사이의 스핀 텍스처를 비교하여 기원을 확립한다.
• AFM 순서에서 시간 반전 대칭 파괴에 의해 유도된 이차(spin) 텍스처로서 스핀 분리를 기술한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비공면 반강자성체가 스핀-궤도 커플링과 무관한 모멘테 의존 스핀 분리를 보일 수 있는가?
• RQ2 관찰된 격자무늬 같은 스핀 텍스처가 AFM 바닥 상태에 한정되고 paramagnetic 상태에서 줄어드는지, AFM 기원 스핀 현상임을 시사하는가?

주요 결과

• MnTe2에서 AFM 순서에서 기인하는 격자무늬 같은(in-plane) 스핀 텍스처의 증거.
• 스핀 성분이 high-symmetry Brillouin zone 평면에 대해 반대칭적이다.
• 격자무늬 같은 스핀 패턴은 고온에서 감소하며 SOC가 아닌 AFM 기원과 일치한다.
• 스펙트로스코피 및 계산 결과는 AFMs에서 시간 반전 대칭 파괴에 의해 구동되는 새로운 유형의 이차(spin) 텍스처를 지지한다.