[论文解读] Direct observation of altermagnetic band splitting in CrSb thin films

Jourdan, Martin|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用 4

一句话总结

本研究首次通过自旋积分软X射线角分辨光电子能谱（SX-ARPES）直接实验观测到CrSb薄膜中的反磁性能带分裂。研究人员在费米能级附近观测到约0.6 eV的大自旋分裂，证实了理论预测，并展示了其在高带宽、抗外磁场干扰的自旋电子学器件中具有潜在应用价值的强时间反演对称性破缺特性。

ABSTRACT

Altermagnetism represents an emergent collinear magnetic phase with compensated order and an unconventional alternating even-parity wave spin order in the non-relativistic band structure. We investigate directly this unconventional band splitting near the Fermi energy through spinintegrated soft X-ray angular resolved photoemission spectroscopy. The experimentally obtained angle-dependent photoemission intensity, acquired from epitaxial thin films of the predicted altermagnet CrSb, demonstrates robust agreement with the corresponding band structure calculations. In particular, we observe the distinctive splitting of an electronic band on a low-symmetry path in the Brilliouin zone that connects two points featuring symmetry-induced degeneracy. The measured large magnitude of the spin splitting of approximately 0.6 eV and the position of the band just below the Fermi energy underscores the signifcance of altermagnets for spintronics based on robust broken time reversal symmetry responses arising from exchange energy scales, akin to ferromagnets, while remaining insensitive to external magnetic fields and possessing THz dynamics, akin to antiferromagnets.

研究动机与目标

• 通过实验验证CrSb中反磁性能带分裂的存在，CrSb是一种理论预测的反磁性材料。
• 确定真实材料体系中自旋分裂能带相对于费米能级的大小和位置。
• 在三维电子系统中，建立理论能带结构预测与实验光电子能谱数据之间的直接关联。
• 通过探测其本征自旋分裂行为及其对外部磁场的鲁棒性，评估反磁体在自旋电子学中的潜力。
• 证明SX-ARPES在布里渊区低对称性区域解析动量依赖的能带分裂的可行性。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积法在GaAs(110)衬底上外延生长CrSb薄膜，并在约400 °C下进行原位退火。
• 通过反射高能电子衍射（RHEED）、X射线衍射和透射电子显微镜确认薄膜的结构质量。
• 在瑞士光源ADRESS光束线处，于12 K温度下，使用320 eV至1000 eV的光子能量进行自旋积分软X射线角分辨光电子能谱（SX-ARPES）测量。
• 数据分析包括使用ARPESView软件进行背景扣除，沿k_z = 0轴对谱线进行对称化处理，并通过ImageJ中的拉普拉斯滤波增强信号。
• 采用VASP程序进行从头算能带结构计算，使用PBE+SOC泛函，6×6×5 k网格，并将磁相收敛标准设为10⁻⁵ eV。
• 将理论结果与实验SX-ARPES数据直接对比，以验证反磁性能带分裂的存在及其大小。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过SX-ARPES在CrSb薄膜中直接观测到反磁性能带分裂？
• RQ2 CrSb电子能带在费米能级附近的自旋分裂大小是多少？
• RQ3 实验测得的能带结构与从头算计算结果在定量上如何对比？
• RQ4 该能带分裂是否如实际自旋电子学应用所要求的那样，具有鲁棒性且局域在费米能级附近？
• RQ5 观测到的分裂是否出现在布里渊区低对称性区域的对称性诱导简并点上？

主要发现

• 实验测得的角度依赖光电子发射强度清晰显示出CrSb薄膜中的显著且稳定的能带分裂，尤其在布里渊区的低对称路径上表现明显。
• 直接观测到约0.6 eV的大自旋分裂，分裂后的能带位于费米能级以下。
• 测得的能带结构与基于自旋密度泛函理论结合自旋轨道耦合的从头算计算结果高度一致。
• 该能带分裂出现在具有对称性诱导简并的点上，证实了在无时间反演对称性条件下理论预测的反磁性分裂。
• 结果表明CrSb具有强交换驱动的自旋分裂，其能量尺度与铁磁体相当，同时对外部磁场不敏感。
• 该观测证实反磁体可在费米面附近的导带中支持大自旋分裂效应，为实现超快、抗磁场干扰的自旋电子学器件提供了潜在应用基础。