[論文レビュー] Impact of antiferromagnetic order on Landau level splitting of quasi-two-dimensional Dirac fermions in EuMnBi$_2$

H. Masuda, Hideaki Sakai+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2018

Rare-earth and actinide compounds被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、EuMnBi₂における反強磁性秩序が、準二次元的ディラックフェルミオンのLandau準位に強いスピン分離を引き起こすことを明らかにした。反強磁性相では有効g因子がスピンフロップ相と比較して約50%増加する。この効果は、ディラックフェルミオンと局在したEu²⁺モーメント間の強化された交換結合に起因し、第一原理計算により交換分裂がゼーマンエネルギーと同等であることが確認された。

ABSTRACT

We report spin-split Landau levels of quasi-two-dimensional Dirac fermions in a layered antiferromagnet EuMnBi$_2$, as revealed by interlayer resistivity measurements in a tilted magnetic field up to $\sim$35 T. The amplitude of Shubnikov-de Haas (SdH) oscillation in interlayer resistivity is strongly modulated by changing the tilt angle of the field, i.e., the Zeeman-to-cyclotron energy ratio. The effective $g$ factor estimated from the tilt angle, where the SdH oscillation exhibits a phase inversion, differs by approximately 50% between two antiferromagnetic phases. This observation signifies a marked impact of the magnetic order of Eu sublattice on the Dirac-like band structure. The origin may be sought in strong exchange coupling with the local Eu moments, as verified by the first-principles calculation.

研究の動機と目的

• EuMnBi₂における反強磁性秩序が、準二次元的ディラックフェルミオンのLandau準位分裂に与える影響を調査すること。
• 層間抵抗における観察された場角依存性を示すシュービニコフ＝ド・ハース（SdH）振動の起源を特定すること。
• ディラックフェルミオンと局在したEu²⁺モーメント間の交換結合が、有効g因子をどのように変化させるかを明確にすること。
• バルク的ディラック半金属における磁気秩序とバンド構造の再正規化の直接的な関連を確立すること。

提案手法

• Landau準位の量子化を調べるため、最大約35 Tの傾きを付けた磁場下で層間抵抗（ρzz）測定が行われた。
• SdH振動の傾き角依存性を解析し、ゼーマンエネルギーとサイクロトロンエネルギーの比を抽出し、有効g因子（g*）を決定した。
• 第一原理計算を用いて、Eu²⁺モーメントのさまざまな磁気状態下でのディラックバンド構造をモデル化した。
• 計算によるバンド分裂から、磁化率と交換結合エネルギー（Eex）を推定し、実験的ゼーマンエネルギー（EZ）と比較した。
• SdH振動周波数と位相差から、フェルミ面断面積（SF）とサイクロトロン有効質量（mc）を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Eu²⁺モーメントの反強磁性秩序は、EuMnBi₂におけるLandau準位分裂にどのように影響するか？
• RQ2 反強磁性相とスピンフロップ反強磁性相の間で観察された有効g因子の50%の差異の起源は何か？
• RQ3 ディラックフェルミオンとEu²⁺モーメント間の交換結合は、観察されたバンド分裂にどの程度寄与しているか？
• RQ4 Eu格子の磁気状態は、サイクロトロン有効質量とフェルミ面幾何学にどのように影響するか？

主な発見

• 有効g因子（g*）は反強磁性相で9.8(4)、スピンフロップ反強磁性相で6.6(4)であり、反強磁性状態で約50%増加している。
• フェルミ面断面積（SF）は両相間でほぼ一定（約0.186–0.191 nm⁻²）であり、フェルミ面サイズの変化は最小限である。
• サイクロトロン有効質量（mc）は反強磁性相で0.097(2)m₀、スピンフロップ相で0.122(2)m₀であり、反強磁性状態で低下している。
• 第一原理計算により、スピンフロップ相における交換結合（Eex）が50–80 meVであり、ゼーマンエネルギー（約13 meV）と同等であることが示され、g*の増大が説明された。
• スピンフロップ相におけるバンド分裂は主に横方向の磁化率に起因し、スピンアップとスピンダウンのディラックバンドに強い交換分裂を引き起こす。
• 反強磁性相におけるg*の増大は、ディラックフェルミオンとEu²⁺モーメント間の大きな交換結合（J ≈ 14–23 meV）に起因し、Jは内在的なg*因子と逆符号である。