[논문 리뷰] Quantum Anomalous Hall Effect through Canted Antiferromagnetism

Xiao Li, A. H. MacDonald외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 27.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 스핀-오비트 결합이 있는 4d/5d 퍼보스카이트 (001) 박막 모델을 사용하여, 네트워크 자화가 없지만 시간역전위-짝수 반응을 보이는 이방성 홀 효과 반자성체(AHE AFMs)를 활용하여, 두께가 얇은 기울어진 반자성체에서 고온에서의 양자 이방성 홀 효과(QAHE)를 실현하는 전략을 제안한다. 기울어진 반자성 순서와 라슈바형 스핀-오비트 결합이 함께 작용할 경우, 토폴로지 수 C=2인 양자화된 홀 전도도를 유도하여 고온에서도 견고한 QAHE 상태를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Most canted antiferromagnets are also anomalous Hall antiferromagnets (AHE AFMs), i.e. they have an anomalous Hall response and other responses with the same symmetry requirements. We suggest that AHE AFMs are promising materials as hosts for high-temperature quantum anomalous Hall effects. By considering models of two-dimensional (001) perovskite layers with strong spin-orbit coupling that isolates an effective total angular momentum $ ilde{j}= \frac{1}{2}$ subspace of the $t_{2g}$ manifold, we propose a strategy to engineering quantum anomalous Hall antiferromagnets.

연구 동기 및 목표

• 기존 QAHE 시스템의 저온 제한을 극복하기 위해, 고온에서의 양자 이방성 홀 효과(QAHE)를 실현할 수 있는 AHE AFMs를 유망한 호스트로 규명하는 것.
• AHE AFMs의 대칭성에 의해 보호되는 시간역전위-홀 응답을 활용하여, 절연체에서 견고한 QAHE를 달성하는 데 도전하는 것.
• 퍼보스카이트 계면에서 효과적인 j̃=1/2 t2g 상태를 갖는 2차원 정사각형 격자 기반의 최소 모델을 제안하여, 기울어진 반자성체와 스핀-오비트 결합이 양자화된 홀 전도도를 유도하는 방식을 설명하는 것.
• 서로 다른 스핀-오비트 결합과 기울어진 제이먼 필드, 오р토로브릭 변형이 함께 작용할 경우, 토폴로지 수 C=2인 QAHE 상태를 안정화시킬 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 4d/5d 퍼보스카이트의 t2g 오비탈에서 유도된 효과적인 j̃=1/2 부분공간을 갖는 2차원 정사각형 격자에 최소 s-d 모델을 구성하며, 강한 스핀-오비트 결합을 통해 저에너지 다중체를 정의한다.
• 서로 다른 위치에 따라 변화하는 비대칭성과 비대칭적 스핀 교환을 통해 기울어진 반자성 순서를 모델링하여, 약한 순자화 모멘트와 시간역전위-홀 응답을 유도한다.
• 표현 스팟 공간에 기울어진 평면 내 제이먼 필드를 도입하여, 실제 공간에서의 기울어진 스핀 교환 필드에 해당하게 하여 시간역전위 대칭성을 깨고 갭을 열도록 한다.
• 수직 방향 산소 이동을 통해 라슈바형 스핀-오비트 결합을 도입하여 스핀에 의존하는 터널항 tR ∝ iσx,y를 생성함으로써 스핀 디세너지 조건을 깨뜨린다.
• 전체 해밀토니안을 표현 스팟 공간으로 프로젝션하고, 유도된 밴드 구조를 분석하여 θ=11°, Jex=0.5tdd, tR=0.1tdd 조건에서 토폴로지 수 C=2를 확인한다.
• 거울 대칭성의 붕괴와 오르토로브릭 변형이 필요한 스핀-오비트 결합 생성과 입자-공공 대칭성 유지에 필수적임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 이방성 홀 효과를 보이는 AHE AFMs를 갖는 기울어진 반자성체가 고온에서 견고한 양자 이방성 홀 효과(QAHE)를 실현할 수 있는가?
• RQ2 기울어진 반자성 순서와 스핀-오비트 결합이 2차원 퍼보스카이트 박막에서 어떻게 양자화된 홀 전도도를 유도하는가?
• RQ3 오르토로브릭 변형과 수직 방향 산소 이동은 t2g 다중체에서 라슈바형 스핀-오비트 결합을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 시간역전위 대칭성이 기울어진 스핀 교환 필드와 스핀-오비트 결합에 의해만 깨지는 시스템에서 토폴로지 수 C=2인 QAHE 상태를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ5 AHE AFMs에서 토폴로지적으로 비자명한 절연체 상태를 실현하기 위한 최소한의 대칭성과 매개변수 요구 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 기울어진 반자성체 4d/5d 퍼보스카이트 (001) 박막의 2차원 모델에서 실제 매개변수(θ=11°, Jex=0.5tdd, tR=0.1tdd) 조건 하에서 토폴로지 수 C=2인 양자 이방성 홀 효과가 실현됨을 확인하였다.
• 기울어진 제이먼 필드와 스핀-오비트 결합에 의해 열린 갭 덕분에 네트워크 자화가 없더라도 양자화된 홀 전도도를 지닌 시스템을 제공함을 보였다.
• t2g 다중체 내 효과적인 j̃=1/2 부분공간 덕분에 Jex, tR, θ 등의 핵심 매개변수가 동일한 에너지 척도에 위치하여 QAHE 상태로의 조정이 용이함을 확인하였다.
• 오르토로브릭 변형과 거울 대칭성 붕괴가 함께 존재할 때만 필요한 라슈바형 스핀-오비트 결합이 생성됨을 입증하였다.
• 모델은 입자-공공 대칭성을 유지하며 스핀-오비트 항과 교환항 간의 (반)교환 관계를 유지하여 넓은 매개변수 영역에서 토폴로지적 안정성을 확보하였다.
• 제안된 시스템은 Sr2IrO4 또는 CaIrO3와 같은 절연체 AHE AFMs 또는 기울어진 반자성체층을 포함하는 이종 에피택셜 인터페이스를 통해 실험적으로 실현 가능하다.