[논문 리뷰] Kramers Weyl Semimetals as Quantum Solenoids

Wen‐Yu He, K. T. Law|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 29.

Magnetic properties of thin films인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 나선형 격자를 가진 크라머스 와일 세미메탈(Kramers Weyl semimetals, KWS)이 유일한 縦방향 전자기응답으로 인해 전류가 흐르는 방향과 평행한 스핀 및 궤도 자화를 유도함으로써 나노스케일 양자 솔레노이드로 작용한다고 제안한다. 와일 점 근처에서는 큰 베리 기울기(Berry curvature)가 궤도 자화를 강화시켜 편마그네트에 동시에 스핀 및 궤도 운동량을 전달할 수 있게 하며, 이는 수직 자기이성도를 가진 자성체에서 전기적 제어로 효율적인 자화 스위칭을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Recently, Kramers Weyl semimetals (KWS) with chiral lattice structures and Weyl points pinned at time-reversal invariant momenta have been discovered. In this work, we show that the chiral lattice symmetry brings KWS the unique longitudinal magnetoelectric response in which the charge current induced spin and orbital magnetization is parallel to the direction of the current. This feature allows KWS to act as nanoscale quantum solenoids with both orbital and spin magnetization. Importantly, near the Kramers Weyl points, the orbital contribution to the magetization can be large due to the large Berry curvatures near the Weyl points. As a result, when electrons of KWS are injected into a ferromagnet, both the orbital and spin angular momentum carried by the electrons can generate torques for magnetization switching in the ferromagnet. We further point out that the properties of KWS allow new designs of spin-orbit torque devices with all electric control of magnetization switching for magnets with perpendicular magnetic anisotropy.

연구 동기 및 목표

• 나선형 격자를 가진 크라머스 와일 세미메탈에서의 전자기응답을 탐구한다.
• 나선형 격자 대칭성이 고유한 종방향 전자기응답을 가능하게 하는 방식을 이해한다.
• 와일 점 근처에서 큰 베리 기울기가 궤도 자화를 강화시키는 역할을 분석한다.
• KWS가 편마그네트에서 스핀 및 궤도 토크를 생성할 잠재력을 입증한다.
• 수직 자기이성도를 가진 자화 스위칭을 완전히 전기적으로 제어할 수 있는 스핀오르빗 토크 장치의 새로운 설계를 제안한다.

제안 방법

• 나선형 격자 구조를 가진 KWS에서의 전자기응답에 대한 이론적 분석.
• 종방향 전자기텐서를 계산하여 전류에 의해 유도된 자화가 전류 방향과 평행하게 정렬됨을 보여준다.
• 와일 점 근처에서 궤도 자화 강화를 정량화하기 위해 베리 기울기를 핵심 양으로 사용한다.
• 전자를 KWS에서 편마그네트로 주입하여 스핀 및 궤도 운동량 전달을 평가하기 위한 모델링.
• 수직 자기이성도를 가진 자성체에서 자화 스위칭을 위한 토크 표현식을 유도한다.
• 대칭성 및 위상적 원리를 적용하여 시간역전대칭을 갖는 KWS에서 고유한 종방향 응답을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 크라머스 와일 세미메탈에서의 나선형 격자 대칭성은 어떻게 종방향 전자기응답을 유도하는가?
• RQ2 와일 점 근처에서 베리 기울기는 궤도 자화를 강화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 KWS에서 편마그네트로 스핀 및 궤도 운동량을 일관적으로 전달할 수 있는가?
• RQ4 KWS의 전자기응답은 어떻게 자화 스위칭을 전기적으로 제어할 수 있는가?
• RQ5 수직 자기이성도를 가진 KWS 기반 스핀오르빗 토크 장치의 설계 원칙은 무엇인가?

주요 결과

• KWS에서의 나선형 격자 대칭성이 전류에 의해 유도된 자화가 전류 방향과 평행한 고유한 종방향 전자기응답을 유도한다.
• 와일 점 근처에서는 큰 베리 기울기가 자화의 궤도 기여를 크게 강화시킨다.
• KWS에서 편마그네트로 전자 주입이 이루어지면 일관되게 반영된 운동량 덕분에 스핀 및 궤도 토크가 발생한다.
• 결합된 스핀 및 궤도 토크는 수직 자기이성도를 가진 자성체에서 효율적인 전기적 자화 스위칭을 가능하게 한다.
• 이 시스템은 외부 자기장 없이도 스핀 및 궤도 자화를 지닌 나노스케일 양자 솔레노이드로 작용한다.