[논문 리뷰] X-ray Magnetic Circular Dichroism in Altermagnetic $α$-MnTe

Atsushi Hariki, Din, A. Dal외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 05.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 49인용 수 9

한 줄 요약

논문은 알터메트릭 α-MnTe에서 XMCD를 예측하고 실험으로 확인하며, 빛의 방향과 평면에 수직인 보상된 모멘트의 특징적 XMCD 선형 모양을 보여주고, 그 미시적 기원과 도메인 효과를 분석한다.

ABSTRACT

Altermagnetism is a recently identified magnetic symmetry class combining characteristics of conventional collinear ferromagnets and antiferromagnets, that were regarded as mutually exclusive, and enabling phenomena and functionalities unparalleled in either of the two traditional elementary magnetic classes. In this work we use symmetry and ab initio theory to explore X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) in the altermagnetic class. Our results highlight the distinct phenomenology in altermagnets of this time-reversal symmetry breaking response, and its potential utility for element-specific spectroscopy and microscopy in altermagnets. As a representative material for our XMCD study we choose $α$-MnTe with the compensated antiparallel magnetic order in which an anomalous Hall effect has been already demonstrated both in theory and experiment. The predicted magnitude of XMCD lies well within the resolution of existing experimental techniques.

연구 동기 및 목표

• 알터메트릭 α-MnTe에서 XMCD를 식별하고 이를 직선 정렬 알터메트에서의 시간 반전 대칭성 파손과 연결한다.
• 다른 Néel 벡터 방향 및 빛의 전파 방향에 대해 Mn L2,3 엣지에서 XMCD 스펙트럼을 예측하고 측정한다.
• 가전자 및 코어 상태, SOC, 그리고 코어–가전자 상호작용의 미시적 기여를 구분한다.
• XMCD 크기와 형태에 대한 도메인 효과 및 외부장에 의한 경사(canting)를 입증한다.
• 알터마그네트에서 AHE와 XMCD 기원의 차이를 강조하고 도메인 구조 이미징을 위한 XMCD의 가능성을 평가한다.

제안 방법

• Mn d 및 Te p 밴드에 대한 Wien2k 도출 다밴드 허ubbard 모델 위에 구축된 Anderson 임계 모델(AIM)과 함께 DMFT를 사용한다.
• Mn d-껍질 상호작용을 U=5.0 eV, J=0.86 eV, μdc=22.5 eV로 매개화한다.
• Mn L2,3 엣지에서 XAS와 XMCD 스펙트럼을 계산하고 c축을 따라 원형 편광 빛을 사용한 140 K 에피택셜 MnTe 필름과 비교한다.
• C3 회전 및 T 대칭 주장을 포함한 상대론적 대칭을 사용하여 XMCD를 A 및 B 서브격자에서의 위치해상 기여로 분해한다.
• 가전자 3d SOC 및 코어–가전자 상호작용의 역할을 평가하기 위해 네 가지 모델 변형을 조사한다.
• 여러 L 방향을 반영하기 위한 도메인 평균화를 포함하고 6 T 장에서 field-induced canting (m6T ≈ 0.1 μB)을 고려한다.

Figure 1: Mn moments $\mathbf{m}_{A}$ and $\mathbf{m}_{B}$ in $\alpha$ -MnTe structure (with Te octahedra) for the studied Néel vector $\mathbf{L}$ orientations. The mirror plane $\mathcal{M}$ discussed in the text is marked in blue. While in the right panel $\mathcal{M}$ is an element of the magnet

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알터메트릭스에서 XMCD가 서로 보완하는 반대 방향 순서를 가진 α-MnTe와 같은 도핑에서 나타나는가?
• RQ2 Néel 벡터 L의 방향이 빛의 전파 방향에 상대적으로 어떻게 XMCD 신호에 영향을 주는가?
• RQ3 알터메트릭 α-MnTe에서 XMCD의 미시적 기원은 가전자 SOC, 코어 SOC, 혹은 코어–가전자 상호작용이며, 이것이 AHE와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 자성 도메인 구조 및 외부장에 의한 경사가 XMCD의 크기와 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 XMCD가 도메인 이미징과 그 역학을 위한 광학/현미경 프로브로 작용할 수 있는가?

주요 결과

• Mn L2,3 엣지의 XMCD 스펙트럼은 빛에 수직인 평면에서 L의 특징적 모양을 보이며 이론과 실험 간에 일치한다.
• 측정된 XMCD의 크기는 해석적 계산의 약 10배 정도 작으며, 이는 여섯 개의 쉬운 축 L 방향에 대한 도메인 평균화 때문이기 때문이다.
• k가 L에 평행할 때 가전자 3d SOC의 역할은 무시할 만큼 작고, 코어–가전자 다중극 상호작용은 스펙트럼 모양을 바꾸지만 크기는 바꾸지 않는다.
• k가 L에 수직일 때 XMCD는 더 약하고 A와 B 서브격자에서 합산되어 순 XMCD를 얻으며, L의 방향 및 대칭에 따라 특정 평면 축에 따른 방향에서 부호와 존재가 사라진다.
• 제로 필드에서 서브격자 모멘트의 c축 쪽 경사(canting)는 k ⟂ L 기여에 비해 약한 약약자 XMCD를 유발하며, 6 T 장에서는 순 m6T ≈ 0.1 μB가 스펙트럼을 m6T/m_sat ≈ 1/50로 스케일링하여 이론과 실험의 일치를 이룬다.
• α-MnTe의 XMCD는 3d 상태의 가전자 SOC보다는 코어 SOC 및 코어–가전자 교환 상호작용의 조합에서 발생하며, 이는 AHE 기원과 구분된다.

Figure 2: a) Mn $L_{2,3}$ -edge spectra in theory (black) and experiment (red dotted) for light propagating along the $c$ -axis. Top: XAS. Middle: XMCD in zero field after cooling in 6 T. Bottom: measured XMCD in the applied field of 6 T (red dotted), calculated XMCD for $\mathbf{k}$ parallel to the