[논문 리뷰] Observation of the Crystal Hall Effect in a Collinear Antiferromagnet

Zexin Feng, Xiaorong Zhou외 16명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 20.

Topological Materials and Phenomena인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 순자기모멘트가 0인 정렬된 반자성체인 RuO2에서 결정체 홀 효과의 실험적 관측를 보고한다. 이 효과는 복잡한 결정 구조와 반자성 질서로 인한 비정상적인 스핀 분리에 기인한 큰 홀 도전도도 약 330 S/cm에 이르며, 이는 소산이 없는 효과로서 위상적 베리 기울기에서 기인한다. 이는 기존의 스핀 디세너지 붕괴 메커니즘을 초월한 비정상 홀 운반 메커니즘을 밝힌다.

ABSTRACT

An electric current passing through a magnetic conductor can generate a dissipationless transversal current of topological Berry curvature origin. This anomalous Hall effect requires the breaking of spin-degeneracy of electronic bands, conventionally arising from a macroscopic moment in ferromagnets, or a non-collinear magnetic order in complex magnets. Here we report the experimental observation of a new anomalous Hall effect mechanism - the crystal Hall effect - in a system with the abundant collinear antiferromagnetic order. We detect a large crystal Hall conductivity of ~330 S/cm, consistent with our density functional theory calculations, by performing Hall measurements up to 50 T on high quality epilayers of RuO2. We demonstrate that this crystal Hall effect is an experimental manifestation of unconventional spin-splitting originating from a complex crystal structure in combination with collinear antiferromagnetism with zero net moment. This opens a previously unexplored chapter, associated with the new spin-splitting physics, of dissipationless transport and other quantum and topological phenomena in condensed matter.

연구 동기 및 목표

• 순자기모멘트가 없는 시스템에서 비정상 홀 효과의 새로운 메커니즘을 규명하고 실험적으로 입증하는 것.
• 복잡한 결정 구조와 정렬된 반자성 질서가 비정상적인 스핀 분리를 유도하는 역할을 연구하는 것.
• 순자기모멘트가 0인 반자성체에서 위상적 베리 기울기로 인해 소산이 없는 횡방향 전류가 발생할 수 있음을 입증하는 것.
• 반자성체 물질이 위상적 및 양자 운반 현상의 플랫폼으로서의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 최대 50 T의 자기장 하에서 고품질 에피택시얼 RuO2 박막에 고정밀 홀 측정을 수행한다.
• 전자 밴드 구조를 모델링하고 결정체 홀 도전도를 예측하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용한다.
• 홀 저항도 반응을 분석하여 비소산 횡방향 전류 기여를 식별한다.
• 실험적 홀 도전도를 베리 기울기 유도 스핀 분리의 이론적 예측과 상관관계를 분석한다.
• 결정체 홀 효과를 분리하기 위해 정렬된 반자성 질서와 순자기모멘트가 0인 시스템에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순자기모멘트가 0인 정렬된 반자성체에서 소산이 없는 홀 효과가 나타날 수 있는가?
• RQ2 macroscopic 자화가 없는 조건에서 스핀 분리는 어떤 원인에서 기인하는가?
• RQ3 RuO2의 복잡한 결정 구조는 위상적 운반 성질에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 관측된 홀 도전도가 전통적 메커니즘보다 베리 기울기 기반 기여에 의해 얼마나 큰 비중을 차지하는가?

주요 결과

• 고자기장 하에서 RuO2에서 약 330 S/cm의 큰 결정체 홀 도전도가 실험적으로 관측되었다.
• 관측된 홀 반응은 베리 기울기 유도 운반을 예측하는 밀도함수이론(DFT) 계산과 일치한다.
• 이 효과는 결정 구조와 정렬된 반자성 질서의 상호작용에 기인한 비정상적인 스핀 분리에서 기인한다.
• 이 메커니즘은 순자기모멘트가 없이 작동하므로 기존의 비정상 홀 효과와 구별된다.
• 결과적으로, 위상적 전자 구조를 통해 반자성체 시스템에서도 소산이 없는 운반 현상이 발생할 수 있음을 입증한다.