[论文解读] Observation of Giant Band Splitting in Altermagnetic MnTe

Takayuki OSUMI, S. Souma+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2023

2D Materials and Applications被引用 5

一句话总结

本研究通过光子能量可调的角分辨光电子能谱（ARPES）结合第一性原理计算，首次提供了关于六方MnTe中巨大反磁性能带分裂的直接实验证据。在非高对称动量点，能带分裂最大可达0.8 eV，显著超过自旋-轨道耦合能隙（约0.3 eV），证实了在具有高奈尔温度（307 K）的反磁性体系中，时间反演对称性破缺诱导的自旋分裂的存在。

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.

研究动机与目标

• 为具有零净磁矩但时间反演对称性破缺的材料中预测但尚未被验证的反磁性能带分裂现象，提供直接的实验证据。
• 研究六方MnTe中自旋分裂的性质与大小，该材料是具有307 K奈尔温度的高T_N反磁性候选材料。
• 通过比较ARPES数据与不同自旋构型下的密度泛函理论（DFT）计算，解决磁矩取向与动量空间选择的模糊性。
• 为在反磁性材料中实现诸如反常霍尔效应和自旋流生成等奇异量子现象奠定基础。

提出的方法

• 采用光子能量可调的角分辨光电子能谱（ARPES）探测六方MnTe在宽范围光子能量（60–170 eV）下的体相能带结构。
• 在不同温度下进行高分辨率ARPES测量，以研究能带色散和谱特征的温度依赖性。
• 对不同磁性构型（S∥a 和 S⊥a）及k空间截面进行含自旋-轨道耦合（SOC）的密度泛函理论（DFT）计算，以模拟能带结构。
• 通过能量分布曲线（EDC）的数值拟合提取能带色散，并与理论预测进行比较。
• 分析k_z色散以确认所观测能带的体相起源，因周期性与体相布里渊区一致。
• 进行温度依赖的EDC模拟，以排除热展宽或谱权重变化作为观测峰位移的原因。

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\

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在MnTe中实验观测到预测存在于零净磁矩但时间反演对称性破缺的材料中的反磁性能带分裂？
• RQ2 MnTe中能带分裂的大小和动量空间依赖性如何？其与自旋-轨道耦合能隙相比有何差异？
• RQ3 磁矩取向（沿a轴或垂直于a轴）的选择如何影响ARPES中观测到的能带分裂？
• RQ4 所观测到的能带分裂是电子结构的本征性质，还是受表面效应或实验伪影的影响？
• RQ5 能带分裂随温度如何演化？这对交换分裂的本质有何启示？

主要发现

• ARPES测量在MnTe反铁磁相中非高对称动量点观测到高达0.8 eV的巨大能带分裂，远超ΓK方向上约0.3 eV的自旋-轨道耦合能隙。
• 能带分裂表现出强烈的各向异性，与反磁体理论预测一致，预期在布里渊区的高对称线路上存在分裂节点。
• 观测到的能带色散在k_z方向表现出清晰的周期性，证实了能带的体相起源，排除了表面态占主导的可能性。
• 在不同自旋构型（S∥a 和 S⊥a）及k空间截面下的DFT计算表明，实验观测到的能带分裂最符合（S∥a, ΓK₂）或（S⊥a, ΓK₁）几何构型，表明磁矩很可能沿a轴排列。
• 温度依赖的ARPES结果显示，费米能级附近的峰随温度升高向更高结合能方向系统性移动，该现象无法仅由热展宽解释，表明交换分裂存在本征的减小。
• 未观察到明显的谱权重变化，且双峰拟合与模拟EDC的拟合效果差，证实所观测位移并非由仪器或外部因素引起，而是真实反映了交换分裂随温度升高的减小。

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