[論文レビュー] Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy

Juraj Krempaský, Libor Šmejkal+21 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、スピンおよび角度分解光電子分光法（SARPES）とab initio計算を用いて、反強磁性MnTeがネット磁化や逆性対称性の破れを伴わず、クレーマーススピン簡併性を引き上げることを実験的に示した。主な発見は、回転対称性によって保護される強力でフェロ磁性に類似したスピン分裂であり、中心対称性を持つ物質におけるスピン分裂の新しいメカニズムを明らかにした。

ABSTRACT

Lifted Kramers spin-degeneracy has been among the central topics of condensed-matter physics since the dawn of the band theory of solids. It underpins established practical applications as well as current frontier research, ranging from magnetic-memory technology to topological quantum matter. Traditionally, lifted Kramers spin-degeneracy has been considered to originate from two possible internal symmetry-breaking mechanisms. The first one refers to time-reversal symmetry breaking by magnetization of ferromagnets, and tends to be strong due to the non-relativistic exchange-coupling origin. The second mechanism applies to crystals with broken inversion symmetry, and tends to be comparatively weaker as it originates from the relativistic spin-orbit coupling. A recent theory work based on spin-symmetry classification has identified an unconventional magnetic phase, dubbed altermagnetic, that allows for lifting the Kramers spin degeneracy without net magnetization and inversion-symmetry breaking. Here we provide the confirmation using photoemission spectroscopy and ab initio calculations. We identify two distinct unconventional mechanisms of lifted Kramers spin degeneracy generated by the altermagnetic phase of centrosymmetric MnTe with vanishing net magnetization. Our observation of the altermagnetic lifting of the Kramers spin degeneracy can have broad consequences in magnetism. It motivates exploration and exploitation of the unconventional nature of this magnetic phase in an extended family of materials, ranging from insulators and semiconductors to metals and superconductors, that have been either identified recently or perceived for many decades as conventional antiferromagnets.

研究の動機と目的

• 時間反転対称性や逆性対称性の破れを伴わない反強磁性物質におけるクレーマーススピン簡併性の解除の理論的予測を実験的に検証すること。
• 時間反転対称性または逆性対称性の破れに基づく従来のメカニズムとは異なる、反強磁性によるスピン分裂を区別すること。
• 中心対称性結晶におけるスピン分裂を可能にする回転対称性の役割を確立すること。
• 反強磁性がトポロジカル量子物質およびスピントロニクス応用に与える影響を調査すること。
• 高分解能光電子分光法を用いたMnTeの3次元電子状態の包括的同定

提案手法

• 21 Kでイン・スイット・クレーブドなMnTe(001)単結晶を24 eVのエネルギーでスピンおよび角度分解光電子分光法（SARPES）を実施し、スピン偏極状態のバンド構造を測定した。
• ADRESSビームラインで350–700 eVのX線エネルギー範囲でソフトX線角度分解光電子分光法（SX-ARPES）を実施し、高い動量分解能を用いて3次元電子状態を取得した。
• VASPおよびSPRKKRを用いた密度汎関数理論（DFT）に基づくab initio計算を実施し、スピン軌道相互作用とハーバードU項（PBE+SOC+U）を組み込んだ。
• SPRKKRにおける1段階モデルとスピン密度行列形式を用いてSARPESスペクトルをシミュレートし、スピン偏光度を抽出した。
• 正確なDFT計算のための格子定数を決定するためにX線回折（XRD）を実施した。
• 全角度積分スペクトル強度を差し引いてスペクトルのコherー二ティを向上させ、光電子の運動エネルギーと放出角を結合エネルギーおよび運動量空間に変換するための運動学的公式を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心対称性を持つMnTeにおける反強磁性秩序が、時間反転対称性や逆性対称性の破れを伴わず、クレーマーススピン簡併性を解除できるか？
• RQ2 観測されたMnTeのスピン分裂の起源は何か？また、磁化やスピン軌道相互作用に基づく従来のメカニズムとはどのように異なるか？
• RQ3 MnTeにおけるスピン分裂は回転対称性によって保護されており、これが従来の反強磁性体とはどのように異なるか？
• RQ4 ab initio計算は、バンド分散およびスピン偏光度の観点で、実験的SARPESおよびSX-ARPESデータをどの程度再現できるか？
• RQ5 反強磁性は、従来は普通の反強磁性体と見なされていた材料におけるスピン分裂の新しいプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• 実験的SARPESデータは、フェルミ準拠近くで最大約100 meVのスピン分裂を示し、クレーマース簡併性の解除を確認した。
• スピン分裂は、ネット磁化や逆性対称性の破れが存在しない状況で観測されたため、反強磁性メカニズムが原因であると確認された。
• SX-ARPES測定により、高い動量分解能を有する明確な3次元電子状態が得られ、バンド分散およびスピンテクスチャーの正確なマッピングが可能になった。
• PBE+SOC+U（U = 4.80 eV、J = 0.80 eV）を用いたSPRKKRおよびVASPによるab initio計算は、実験的バンド構造およびスピン偏光度を再現し、理論モデルの妥当性を裏付けた。
• スピン分裂は、反対のスピンサブラットを結ぶ回転対称性に起因し、反強磁性秩序を保護するとともに、強力なスピン分裂を可能にする。これは、従来の強磁性または反強磁性メカニズムとは明確に異なる。
• 本研究の結果は、反強磁性が中心対称性を持つ物質におけるスピン分裂の新しい道筋を提供することを示し、トポロジカル材料およびスピントロニクスへの応用に意義を持つ。