[논문 리뷰] Observation of Giant Band Splitting in Altermagnetic MnTe

Takayuki OSUMI, S. Souma외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 19.

2D Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 광자 에너지 가변 조절 가능한 각도 분 giải 광전자 방사 분석(ARPES)과 제1원리 계산을 조합하여, 헥사곤형 MnTe에서 거대한 알터자석성 밴드 분리 현상에 대한 최초의 직접 실험적 증거를 제공한다. 밴드 분리는 비고도 대칭 운동량 점에서 최대 0.8 eV에 이를 정도로, 약 0.3 eV 수준의 스핀-오비트 결합 갭을 크게 초월하며, 고 네일 온도(307 K)를 가진 알터자석성 물질에서 시간역행 대칭 위반에 의해 유도된 스핀 분리가 존재한다는 것을 확인한다.

ABSTRACT

We performed angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) on hexagonal MnTe, a candidate for an altermagnet with a high critical temperature (TN=307 K). By utilizing photon-energy-tunable ARPES in combination with first-principles calculations, we found that the band structure in the antiferromagnetic phase exhibits a strongly anisotropic band-splitting associated with the time-reversal-symmetry breaking, providing the first direct experimental evidence for the altermagnetic band-splitting. The magnitude of the splitting reaches 0.8 eV at non-high-symmetry momentum points, which is much larger than the spin-orbit gap of ~0.3 eV along the GK high-symmetry cut. The present result paves the pathway toward realizing exotic physical properties associated with the altermagnetic spin-splitting.

연구 동기 및 목표

• 순수한 순자기 모멘트가 없지만 시간역행 대칭이 깨진 물질에서 예측된 바 있으나 검증되지 않은 알터자석성 밴드 분리 현상에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하기 위해.
• 307 K의 높은 네일 온도를 가지며 알터자석성 후보로 여겨지는 헥사곤형 MnTe에서의 스핀 분리의 성격과 크기를 조사하기 위해.
• 다른 스핀 구성 조건 하에서 DFT 계산과 ARPES 데이터를 비교하여 자기 모멘트 방향과 운동량 공간 선택의 모순을 해결하기 위해.
• 알터자석성 물질에서 이례적인 양자 현상인 비정상 홀 효과와 스핀 전류 생성을 실현하기 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 광자 에너지 가변 조절 가능한 각도 분해 광전자 방사 분석(ARPES)을 사용하여, 광자 에너지 범위(60–170 eV)를 넓게 활용해 헥사곤형 MnTe의 밴드 구조를 탐사하였다.
• 다양한 온도에서 고해상도 ARPES 측정을 수행하여 밴드 분산과 스펙트럼 특성의 온도 의존성을 분석하였다.
• 스핀-오비트 결합(SOC)을 고려한 밀도-functional 이론(DFT) 계산을 다양한 자기 구성 조건(S∥a 및 S⊥a)과 k-공간 컷을 통해 수행하여 밴드 구조를 모델링하였다.
• 에너지 분포 곡선(EDC)의 수치적 피팅을 통해 밴드 분산를 추출하고 이론적 예측과 비교하였다.
• k_z 분산 분석을 통해 관측된 밴드의 밴드 기원이 부스러기임을 확인하였으며, 이는 부스러기 브릴루앙 영역과 일치함을 확인하였다.
• 온도 의존성 EDC 시뮬레이션을 수행하여, 관측된 피크 이동의 원인이 열적 넓이 증가나 스펙트럼 강도 변화가 아님을 배제하였다.

Figure 1: (a),(b) Crystal structure and bulk hexagonal BZ of MnTe, respectively. Spin configuration for the $S_{a{\parallel}}$ case is indicated by red arrows in (a). (c) ARPES intensity maps at $T=40\textrm{ K}$ as a function of $k_{x}$ and $k_{y}$ at $E_{\textrm{B}}=E_{\textrm{F}}$ for $k_{z}\sim\

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순자기 모멘트가 없지만 시간역행 대칭이 깨진 물질에서 예측된 알터자석성 밴드 분리 현상이 MnTe에서 실험적으로 관측될 수 있는가?
• RQ2 MnTe에서의 밴드 분리는 크기와 운동량 공간 의존성은 어떻게 되며, 스핀-오비트 결합 갭과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ3 자기 모멘트 방향(자기 모멘트가 a축에 평행하거나 수직인 경우)의 선택이 ARPES에서 관측된 밴드 분리에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 밴드 분리는 전자 구조의 본질적인 특성인지, 표면 효과나 실험적 오차에 의해 영향을 받는가?
• RQ5 밴드 분리는 온도에 따라 어떻게 변화하며, 이는 교환 분리의 성격에 대해 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• ARPES 측정 결과, MnTe의 반자성 상에서 비고도 대칭 운동량 점에서 최대 0.8 eV에 이르는 거대한 밴드 분리를 관측하였으며, 이는 ΓK 방향에서의 스핀-오비트 결합 갭(~0.3 eV)을 크게 초월한다.
• 밴드 분리는 이론 예측과 일치하는 강한 이방성 특성을 보이며, 브릴루앙 영역의 고대칭선을 따라 분리 노드가 존재할 것으로 예측된다.
• 관측된 밴드 분산는 k_z 방향으로 명확한 주기성을 보이며, 이는 밴드의 부스러기 기원을 확인하고 표면 상태 지배를 배제한다.
• S∥a 및 S⊥a 조건과 다양한 k-공간 컷을 고려한 DFT 계산 결과, 실험적 밴드 분리는 (S∥a, ΓK₂) 또는 (S⊥a, ΓK₁) 기하 구조에서 가장 잘 재현되었으며, 이는 자기 모멘트가 a축에 따라 정렬되어 있을 가능성이 높음을 시사한다.
• 온도 의존성 ARPES 측정 결과, 온도가 상승함에 따라 패리-근접 피크가 더 높은 비결합 에너지로 시스템적으로 이동하는 것을 관측하였으며, 이는 열적 넓이 증가만으로는 설명되지 않아, 교환 분리의 진정한 감소를 시사한다.
• 명백한 스펙트럼 강도 변화가 없고, 두 피크로 구성된 시뮬레이션 EDC와의 피팅이 불량한 것으로부터, 관측된 이동이 장치나 외부 요인에 기인한 것이 아니며, 실제로는 온도 상승에 따른 교환 분리 감소를 반영한다는 점을 확인하였다.

Figure 2: (a) Bulk BZ (top) and surface BZ (bottom) of MnTe, together with the $k$ cuts (blue solid lines) where calculations and ARPES measurements shown in (e)–(g) were carried out. (b),(c) Calculated band structure along the $\Gamma\textrm{L}$ cut in the AF phase without and with SOC, respectivel