[논문 리뷰] Spontaneous anomalous Hall effect arising from an unconventional compensated magnetic phase in a semiconductor

R. D. Gonzalez Betancourt, J. Zubáč외 13명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 13.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 순자기적이고 반대자화를 가진 반도체인 MnTe에서 자발적인 비정상 홀 효과(AHE)를 보고한다. 이 효과는 Mn 원자의 비등방성 결정격리 환경으로 인해 강한 시간역행 대칭 위반을 일으키는 비정상적인 알터마그네틱 상에서 기인하며, 외부 자기장 없이 횡방향 홀 전류를 유도한다—이로써 처음으로 순수한 자기모멘트가 없는 보상된 자기반도체에서 AHE를 관찰한 것이다.

ABSTRACT

The anomalous Hall effect, commonly observed in metallic magnets, has been established to originate from the time-reversal symmetry breaking by an internal macroscopic magnetization in ferromagnets or by a non-collinear magnetic order. Here we observe a spontaneous anomalous Hall signal in the absence of an external magnetic field in an epitaxial film of MnTe, which is a semiconductor with a collinear antiparallel magnetic ordering of Mn moments and a vanishing net magnetization. The anomalous Hall effect arises from an unconventional phase with strong time-reversal symmetry breaking and alternating spin polarization in real-space crystal structure and momentum-space electronic structure. The anisotropic crystal environment of magnetic Mn atoms due to the non-magnetic Te atoms is essential for establishing the unconventional phase and generating the anomalous Hall effect.

연구 동기 및 목표

• 순수한 순자기 모멘트를 가진 반도체인 MnTe에서 자발적인 비정상 홀 효과(AHE)의 기원을 규명하는 것.
• 공명 자기모멘트가 없는 정렬된 반대자화 자기 상태에서 시간역행 대칭 위반이 발생할 수 있는지 확인하는 것.
• 실공간과 동역학 공간에서의 결정비대칭성과 스핀 분극이 보상된 시스템에서 AHE를 가능하게 하는 역할을 탐색하는 것.
• MnTe를 반도체에서의 알터마그네틱성의 원형으로 설정하여 스핀트로닉스 장치의 새로운 길을 제시하는 것.

제안 방법

• 고구조 및 고자기 품질을 확보하기 위해 분자선 에피택시 기반으로 GaAs 기판 위에 에피택셜 MnTe 박막을 성장시켰다.
• 비등방성 자기저항(AMR)과의 분리를 위해 50 K에서의 저온에서 평면 내 자기장을 이용한 각도 의존성 자기전도도 측정을 수행했다.
• 저항도 데이터의 조화 분석에 sin(nϕ) 피팅을 적용하여 기저 및 우수조화 성분을 추출하였으며, 기저조화(n=3)가 AHE 신호를 식별하는 데 사용되었다.
• 원시 데이터에서 우수조화(n=2,4,6,8,10) 기여도를 빼내어 AHE를 확인하였으며, 주로 sin(3ϕ) 성분이 지배적임을 확인하였다.
• 자기 용이축은 각도에 따른 자기장 스윕에서 종방향 저항도 최소값을 통해 결정되었으며, ~2–3 T에서 스핀-플롭 전이가 발생함을 확인하였다.
• 스핀군 형식론을 사용한 이론적 분석을 통해 자기상이 알터마그네틱으로 분류되었으며, 이는 회전 대칭으로 연결된 반대 스핀 서브격자로 특징지어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수한 순자기 모멘트와 정렬된 반대자화 자기 구조를 가진 반도체에서 자발적인 비정상 홀 효과가 발생할 수 있는가?
• RQ2 MnTe에서 거대한 자기모멘트 없이 시간역행 대칭 위반이 발생하는 기원은 무엇인가?
• RQ3 Mn 원자의 비등방성 결정격리 환경이 MnTe에서 비정상 홀 효과의 발생에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 실공간에서의 스핀 분극과 동역학 공간에서의 전자 구조는 관측된 AHE에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 비정상 홀 효과가 스핀군 이론에 의해 예측된 바와 같이 알터마그네틱 상과 일치하는가?

주요 결과

• 50 K에서 외부 자기장 없이 MnTe에서 자발적인 비정상 홀 효과가 관측되었으며, 보상된 시스템에서 시간역행 대칭 위반이 확인되었다.
• AHE 신호는 각도에 따른 자기장 의존성에서 sin(3ϕ) 조화 성분이 지배적이며, 이는 외부 방향의 홀 허위벡터에 비례하는 횡방향 홀 전류를 나타낸다.
• 스핀-플롭 전이 자기장은 약 ~2–3 T로 결정되었으며, 이는 자화 모멘트가 가장 가까운 용이축으로 재정렬됨을 의미한다.
• 전류가 [2̄1̄10] 방향으로 정렬되어 있을 때도 비정상 홀 효과가 유지됨을 확인하여, 전류 방향과 무관하고 결정학적 정렬에 대해 강건함을 입증하였다.
• AHE는 Mn 원자 주위의 비등방성 Te 환경에 의해 유도되는 실공간과 동역학 공간에서의 번갈아가는 스핀 분극을 가진 비정상적인 알터마그네틱 상에서 기인한다.
• 관측된 AHE는 강한 비등방성 자기저항(AMR) 기여도에도 불구하고 강건하며, 조화 분해를 통해 내재된 AHE 신호가 분리됨을 확인하였다.