[论文解读] Anomalous skew-scattering nonlinear Hall effect and chiral photocurrents in {\it PT}-symmetric antiferromagnets

Da Ma, Arpit Arora+2 more|PubMed|Oct 26, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出了一种在PT对称反铁磁体中具有新颖性的异常偏斜散射非线性霍尔效应（ASN），其中自旋依赖的偏斜散射与贝利曲率协同作用，即使在PT对称性下本征和传统外禀霍尔效应消失时，仍能产生二阶非线性霍尔电流。关键结果是，ASN在太赫兹波段产生具有手性的螺旋依赖性光致电流，从而为探测反铁磁序提供了一种新方法。

ABSTRACT

Berry curvature and skew scattering play central roles in determining both the linear and nonlinear anomalous Hall effects. Yet in PT-symmetric antiferromagnetic metals, Hall effects from either intrinsic Berry curvature mediated anomalous velocity or the conventional skew-scattering process individually vanish. Here we reveal an unexpected nonlinear Hall effect that relies on both Berry curvature and skew-scattering working in cooperation. This anomalous skew-scattering nonlinear Hall effect (ASN) is PT even and dominates the low-frequency nonlinear Hall effect for PT-symmetric antiferromagnetic metals. Surprisingly, we find that in addition to its Hall response, ASN produces helicity dependent photocurrents, in contrast to other known PT-even nonlinearities in metals that are helicity blind. This characteristic enables us to isolate ASN and establishes new photocurrent tools to interrogate the antiferromagnetic order of PT-symmetric metals.

研究动机与目标

• 解决一个悖论：在本征和传统外禀霍尔效应均消失的PT对称反铁磁体中，贝利曲率与偏斜散射是否仍能产生非线性霍尔效应。
• 识别一种新机制——ASN，其源于自旋依赖的异常速度与偏斜散射分布的协同作用，且在PT对称性下依然存在。
• 证明ASN在金属极限下产生手性依赖性螺旋光致电流，与其它PT偶非线性性形成对比，后者对螺旋性不敏感。
• 确立ASN作为清洁PT对称反铁磁体中主导的外禀非线性霍尔响应，其在低频下优于本征非线性霍尔效应。
• 提供一种新的实验工具，通过频率和螺旋性分辨的光致电流测量来探测反铁磁序。

提出的方法

• 对一个具有自旋轨道耦合和奈尔序的最小双带布洛赫哈密顿量进行理论分析，该模型尊重PT对称性，用于模拟PT对称反铁磁金属。
• 利用半经典玻尔兹曼方法推导异常偏斜散射非线性霍尔电流，整合了自旋依赖的偏斜散射速率和来自贝利曲率的异常速度。
• 使用幺正变换对哈密顿量进行分块对角化，识别出赝自旋本征态，从而在自旋定量轴破缺的情况下仍能实现有效的半经典处理。
• 计算ASN和本征非线性霍尔（INH）机制的非线性霍尔极化率（χ_xy_x），比较其与频率和化学势的依赖关系。
• 分析极化率的虚部以区分ASN与INH，因为只有ASN表现出频率相关的虚部。
• 在二维CuMnAs模型中对非线性响应进行数值评估，Néel矢量方向为[110]，使用实际参数（t = 1 eV, λ = 0.8t, Jₙ = 0.6t, t′ = 0.08t）。

实验结果

研究问题

• RQ1 当本征贝利曲率和传统偏斜散射贡献均消失时，非线性霍尔效应是否仍能在PT对称反铁磁体中持续存在？
• RQ2 在PT对称系统中，偏斜散射与贝利曲率协同作用所产生的非线性霍尔响应的本质是什么？
• RQ3 所提出的异常偏斜散射非线性霍尔效应（ASN）是否产生手性依赖性光致电流？如果是，如何与其它PT偶非线性性区分开来？
• RQ4 在清洁极限下，ASN响应与本征非线性霍尔效应在幅度和频率依赖性方面如何定量比较？
• RQ5 由ASN介导的频率和手性分辨光致电流能否作为探测反铁磁序的诊断工具？

主要发现

• 异常偏斜散射非线性霍尔效应（ASN）是PT偶的，且在PT对称反铁磁体中持续存在，尽管本征和传统外禀霍尔效应均消失。
• 在清洁PT对称反铁磁体中，ASN主导低频非线性霍尔响应，其幅度优于本征非线性霍尔效应（INH），在合理散射时间（τ ≈ 15–40 fs）下表现更优。
• ASN极化率的虚部非零且具有频率依赖性，而INH极化率是实数，这使得两种机制在实验上可明确区分。
• ASN在太赫兹波段产生手性依赖性螺旋光致电流，这是其它已知金属中PT偶非线性性所不具备的独特特征。
• 在Néel矢量沿[110]方向的二维CuMnAs模型中，ASN极化率在导带中比INH高出2–3倍，峰值达到约10⁻¹³ cm²/eV（当V₀ = 2.7×10⁻¹³ cm²/eV时）。
• 在导带中，ASN与INH响应的符号相反，为在输运测量中分离两者提供了特征信号。