[논문 리뷰] Origin of spin reorientation and intrinsic anomalous Hall effect in the kagome ferrimagnet TbMn6Sn6

D. Connor Jones, Suvadip Das외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 31.

Topological Materials and Phenomena인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 실험, 평균장 이론, 그리고 처음으로 원자적 계산을 조합하여 카그롬 페로자성체 TbMn6Sn6에서 스핀 재정렬과 본질적 이상 홀 효과(AHC)의 기원을 규명한다. 스핀 동역학의 차이—특히 Tb에서의 스핀 변동이 Mn보다 더 강하다는 점—이 309 K 이하에서 90° 스핀 재정렬을 이끌어내며, AHC는 카그롬 디랙 점이 아닌 복잡한 3차원 피에르 표면 혼성화에서 기인한다. 이론적 AHC(50–80 S cm⁻¹)는 실험 결과와 양호한 반정량적 일치를 보인다.

ABSTRACT

TbMn$_6$Sn$_6$ has attracted a lot of recent interest for a variety of reasons, most importantly, because of the hypothesis that it may support quantum-limit Chern topological magnetism, derived from the kagome geometry. Besides, TbMn$_6$Sn$_6$ features a highly unusual magnetic reorientation transition about 100 K below the Curie point, whereby all spins in the system, remaining collinear, rotate by 90$^\circ$. In this work, we address both issues combining experiment, mean-field theory and first-principle calculations. Both magnetic reorientation and the unusual temperature dependence of the anomalous Hall conductivity (AHC) find quantitative explanation in the fact that Mn and Tb, by virtue of the Mermin-Wagner theorem, have very different spin dynamics, with Tb spins experiencing much more rapid fluctuation. We were able to cleanly extract the intrinsic AHC from our experiment, and calculated the same microscopically, with good semiquantitative agreement. We have identified the points in the band structure responsible for the AHC and showed that they are not the kagome-derived Dirac points at the K-corner of the Brillouin zone, as conjectured previously.

연구 동기 및 목표

• YMn6Sn6의 유사체와 달리 TbMn6Sn6가 선형 페로자성체 상태를 갖는 이유를 이해하는 것.
• 자기전이온도 이하에서 약 100 K의 스핀 재정렬 전이가 발생하는 이유를 설명하는 것—모든 스핀이 90°로 회전하면서도 여전히 선형 상태를 유지함.
• TbMn6Sn6에서 큰 본질적 이상 홀 전도도(AHC)의 미세 구조 기원을 규명하는 것.
• AHC와 종방향 저항도 사이의 스케일링 행동을 명확히 하고, 마그논 기여와 외부 기여의 역할을 밝히는 것.

제안 방법

• TbMn6Sn6에서 자화율, 전기 저항도, 이상 홀 효과를 측정하기 위한 실험 측정 수행.
• Tb의 강축 비대칭성과 Mn의 평면축 비대칭성 간의 경쟁을 모델링하기 위해 평균장 이론 적용.
• 전자 밴드 구조와 베리 기울기 계산을 위해 스핀-오비트 결합을 포함한 처음으로 원자적 밀도함수이론(DFT) 계산 수행.
• 쿠보 공식을 사용하여 본질적 AHC를 계산하고 부브릴루아 존의 다양한 영역에서의 기여를 분석.
• 도핑 효과 평가를 위해 피에르 수준 조절(±50 meV)을 수행하고 실험 값과 비교.
• 베리 기울기의 기여를 맵핑하여 주요 밴드 기여를 규명하고, K점의 디랙 원뿔이 주요 기여원이 아니라는 것을 거부함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 TbMn6Sn6는 약 309 K에서 스핀 재정렬 전이를 겪는 반면, YMn6Sn6는 나선형 반자성체로 남아 있는가?
• RQ2 TbMn6Sn6에서 큰 본질적 이상 홀 전도도가 발생하는 원인은 무엇이며, 이는 K점의 위상적 디랙 점과 관련이 있는가?
• RQ3 Tb와 Mn 간의 스핀 동역학과 자기 비대칭성의 차이가 재정렬 전이를 어떻게 지배하는가?
• RQ4 AHC와 종방향 저항도 사이의 스케일링 관계의 기원은 무엇이며, 마그논은 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 왜 TbMn6Sn6의 AHC는 단순한 2차원 카그롬 모델로 예측된 것보다 현저히 큰가?

주요 결과

• 스핀 재정렬 전이의 기원은 온도에 따라 변화하는 Tb의 자기 비대칭성 억제에 기인하며, 이는 Tb의 효과적 스핀 모멘트와 비대칭성이 약 209 K 이하에서 감소하기 때문이다.
• Mn 층 간의 효과적 교환 상호작용은 Tb를 통해 간접적으로 발생하는 페로자성적 상호작용으로 인해 페로자성체 상태를 안정화한다.
• 이론적 피에르 수준에서 본질적 AHC는 50 ± 1 S cm⁻¹로 계산되었으며, 50 meV 상향 이격으로 약 80 S cm⁻¹로 증가하여 실험 결과와 양호한 반정량적 일치를 보였다.
• 주요 AHC 기여는 K₂ 및 Γ₂ 점 근처의 혼성화된 밴드와 A와 L 사이의 우연한 스핀-하향 디랙 점에서 비롯되며, K점의 디랙 원뿔은 주요 기여원이 아니다.
• AHC는 단일 위상적 밴드가 아닌, 복잡한 3차원 피에르 표면 특성에 의해 유도되며, 다오비탈 및 3차원 전자 구조의 중요성을 강조한다.
• 마그논 기여와 가능한 외부 기여가 이론과 실험 간 약 40%의 잔여 불일치를 설명할 수 있다.