[论文解读] Coexistence of Anomalous Hall Effect and Weak Net Magnetization in Collinear Antiferromagnet MnTe

Katarzyna Kluczyk-Korch, Katarzyna Gas+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究展示了在块体六方MnTe中可观测的反常霍尔效应（AHE）与微弱净磁化强度共存，MnTe是一种传统上被认为磁性补偿的共线反铁磁体。通过引入包含Dzyaloshinskii–Moriya型相互作用的唯象宏观自旋模型，作者表明，这种微弱的铁磁性类似磁矩打破了Néel矢量简并，即使在完全磁性补偿的情况下也能实现磁滞AHE行为。关键贡献在于识别出一种机制：有限净磁化阻止了AHE信号平均为零，从而将输运响应与Néel矢量取向联系起来。

ABSTRACT

Anomalous Hall effect (AHE) plays important role in the rapidly developing field of antiferromagnetic spintronics. It has been recently discussed that it can be a feature of not only uncompensated magnetic systems but also in altermagnetic materials. Hexagonal MnTe belongs to this appealing group of compounds exhibiting AHE and is commonly perceived as magnetically compensated. Here, we demonstrate that bulk form of MnTe exhibits small but detectable magnetic moment correlating with hysteretic behaviour of the AHE. We formulate a phenomenological model which explains how this feature allows to create a disbalance between states with opposite Néel vector and prevent the AHE signal from averaging out to zero. Moreover, we show how the dependence of AHE on the Néel vector arises on microscopical level and highlight the differences in Berry curvature between magnetically compensated and uncompensated systems.

研究动机与目标

• 研究块体六方MnTe中反常霍尔效应（AHE）的起源，MnTe是一种传统上被认为磁性补偿的共线反铁磁体。
• 确定块体MnTe中是否存在微弱净磁化及其与AHE和磁滞行为的相关性。
• 开发一种唯象宏观自旋模型，以Dzyaloshinskii–Moriya型相互作用和Néel矢量重取向来解释AHE的磁滞行为。
• 阐明贝里曲率与自旋-轨道耦合在近零净磁化系统中实现AHE的作用。
• 区分输运测量中内在AHE机制与由净磁化引起的外在贡献。

提出的方法

• 通过气相输运法制备高质量、自支撑的块体MnTe单晶，以消除衬底和应变效应的影响。
• 进行定量体积磁化率测量和电阻率测量，以检测微弱铁磁性类似（WFL）磁矩和磁滞AHE。
• 采用包含Dzyaloshinskii–Moriya型相互作用的唯象宏观自旋模型，描述外加磁场下能量势垒与Néel矢量重取向的行为。
• 模拟在不同磁场（B_J, B_K, B_D）下Néel矢量角度（α₁, α₂）的能量依赖关系，以重现磁滞行为。
• 分析贝里曲率分布，比较磁性补偿与非补偿系统中AHE机制的差异。
• 利用拉曼光谱和多种独立方法精确测定Néel转变温度（T_N）。

Figure 1: Crystal structure of hexagonal MnTe, with cyan and yellow balls representing Mn atoms with arrows indicating magnetic moments. Violet arrow shows Néel vector orientation.

实验结果

研究问题

• RQ1 在像MnTe这样的块体共线反铁磁体中，可观测的反常霍尔效应能否与微弱净磁化共存？
• RQ2 在MnTe的AHE和磁化强度中观察到的磁滞行为的起源是什么？
• RQ3 有限净磁化如何打破相反Néel矢量态之间的简并，从而允许非零AHE信号？
• RQ4 Dzyaloshinskii–Moriya型相互作用在多大程度上能够解释MnTe中观测到的磁滞磁化和AHE？
• RQ5 在近零净磁化系统中，贝里曲率在实现AHE中起什么作用？与完全补偿的反铁磁体有何不同？

主要发现

• 块体MnTe表现出一个微小但可检测的净磁矩，其与反常霍尔效应的磁滞行为密切相关。
• MnTe中的反常霍尔效应表现出与剩余磁化相同的温度依赖性，二者均在Néel温度（T_N）以上消失，且T_N通过多种独立方法精确测定。
• 一种包含Dzyaloshinskii–Moriya型相互作用的唯象宏观自旋模型成功再现了AHE和磁化的磁滞行为，其中DMI场（B_D）量级为几特斯拉。
• 该模型预测，增加DMI场（B_D）或各向异性场（B_K）可增强磁滞宽度，与实验测得的温度演化趋势一致。
• 对贝里曲率的理论分析表明，即使在无净磁化的情况下，只要Néel矢量不完全简并，AHE仍可存在，突显了其与完全补偿系统的关键区别。
• 本研究证明，有限净磁化并非MnTe中AHE的必要条件，但对打破Néel矢量简并、实现实验中可观测的非零AHE信号至关重要。

Figure 3: (a) Resistivity and magnetic susceptibility dependence on temperature of the studied hexagonal MnTe samples. (b) The peak in the first derivative of susceptibility $\mathrm{d}\chi/\mathrm{d}T$ and resistivity $\mathrm{d}\rho_{xx}/\mathrm{d}T$ at the Néel temperature.