[论文解读] Observation of non-volatile anomalous Nernst effect in altermagnet with collinear Néel vector

Lei Han, Xizhi Fu+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2024

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 5

一句话总结

本文报道在具有共线 Néel 向量的交替磁性 Mn5Si3 中观测到非易失性异常 Nernst 效应（ANE），表现出 Berry 曲率驱动的 ANE，以及通过 Mn 掺杂对费米能级的增强效应。

ABSTRACT

Anomalous Nernst effect (ANE), a widely investigated transverse thermoelectric effect that converts waste heat into electrical energy with remarkable flexibility and integration capability, has been extended to antiferromagnets with non-collinear spin texture recently. ANE in compensated magnet with collinear Néel vector will bring more opportunities to construct magnetic-field-immune and ultrafast transverse thermoelectric converters, but remains unachieved for long. It is due to the degenerated band structure of traditional collinear compensated magnet excludes non-zero Berry curvature. Here, we realize non-volatile ANE in altermagnet Mn5Si3 thin film with collinear Neel vector, whose unique alternating spin-splitting band structure plays vital role in creating non-zero Berry curvature and hotpots of anomalous Nernst conductivity near band intersections. Interestingly, ANE is relatively weak in stoichiometric Mn5Si3, but undergoes a sixfold enhancement through strategically raising the Fermi level by additional Mn doping, indicating sensitive intrinsic influence from specific location of the Fermi level on ANE in altermagnet. Moreover, our investigation reveals a unique Neel-vector-dependent temperature-scaling relationship of anomalous Nernst conductivity in Mn5Si3. Our work not only fills a longstanding gap by confirming the presence of non-volatile ANE in collinear compensated magnet, but also enlightens thermoelectric physics related to exotic spin-splitting band structure in altermagnet.

研究动机与目标

• 推动在共线补偿磁体中探索异常 Nernst 效应（ANE），以实现磁场免疫、超快热电转换。
• 在具有共线 Néel 向量的 Mn5Si3 薄膜中实现非易失性 ANE 的演示。
• 展示通过 Mn 掺杂调控费米能级对该交替磁体中 ANE 效应大小的影响。

提出的方法

• 通过受控 Mn 掺杂实验性生长 Mn5Si3 薄膜以调节费米能级。
• 测量异常 Nernst 导电率，并将其与自旋分裂带结构及接近带交叉处的 Berry 曲率热点联系起来。
• 分析 ANE 对 Néel 向量取向及温度的依赖性，以揭示缩放行为。
• 将化学计量比的 Mn5Si3 与掺杂样品进行比较，以评估 ANE 对费米能级位置的固有敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有交替自旋分裂带的共线补偿磁体中，是否可以实现非易失性 ANE？
• RQ2 独特的交替自旋分裂带结构如何影响 Berry 曲率和 Mn5Si3 中的 ANE？
• RQ3 Mn 掺杂引起的费米能级移位对 ANE 的大小有何影响？
• RQ4 在 Mn5Si3 中，是否存在与 Néel 向量相关的温度缩放关系与异常 Nernst 导电率？

主要发现

• 在具有共线 Néel 向量的 Mn5Si3 薄膜中实现了非易失性 ANE。
• 该交替磁体的自旋分裂带结构在带交叉处产生非零 Berry 曲率与 Nernst 导电率热点。
• 在化学计量 Mn5Si3 中，ANE 较弱，但通过 Mn 掺杂提高费米能级后增强约六倍。
• 观察到一个与 Néel 向量相关的温度缩放关系，用于异常 Nernst 导电率。
• 这项工作证明了共线补偿磁体中非易失性 ANE 的存在，并将热电响应与交替磁性自旋分裂带联系起来。