[论文解读] X-ray Magnetic Circular Dichroism in Altermagnetic $α$-MnTe

Atsushi Hariki, Din, A. Dal+15 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2023

Magnetic properties of thin films参考文献 49被引用 9

一句话总结

该论文预测并在实验上证实了 α-MnTe 的 XMCD，在垂直于光线平面的被抵消磁矩上呈现出特征的 XMCD 线型，并分析其微观起源和域效应。

ABSTRACT

Altermagnetism is a recently identified magnetic symmetry class combining characteristics of conventional collinear ferromagnets and antiferromagnets, that were regarded as mutually exclusive, and enabling phenomena and functionalities unparalleled in either of the two traditional elementary magnetic classes. In this work we use symmetry and ab initio theory to explore X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) in the altermagnetic class. Our results highlight the distinct phenomenology in altermagnets of this time-reversal symmetry breaking response, and its potential utility for element-specific spectroscopy and microscopy in altermagnets. As a representative material for our XMCD study we choose $α$-MnTe with the compensated antiparallel magnetic order in which an anomalous Hall effect has been already demonstrated both in theory and experiment. The predicted magnitude of XMCD lies well within the resolution of existing experimental techniques.

研究动机与目标

• 识别铝磁相 α-MnTe 中的 XMCD，并将其与共线铝磁体中的时间反演对称性破缺相关联。
• 预测并在 Mn L2,3 边测量不同 Néel 向量取向与光传播方向的 XMCD 谱。
• 解开来自价态和核态、自旋轨道耦合（SOC）以及核—价态互作用的微观贡献。
• 展示域效应与场感应的倾斜对 XMCD 的幅值和形状的影响。
• 强调铝磁体中 AHE 与 XMCD 起源的差异，并评估 XMCD 成像域结构的潜在可能性。

提出的方法

• 使用 DMFT 与建立在 Wien2k 推导的多带 Hubbard 模型上的 Anderson 零耦模型（AIM），用于 Mn d 和 Te p 轨道。
• 将 Mn d 壳相互作用参数化为 U=5.0 eV、J=0.86 eV、μdc=22.5 eV。
• 在 Mn L2,3 边计算 XAS 与 XMCD 谱，并与沿 c 轴的圆偏振光的 140 K 外延 MnTe 薄膜实验结果进行比较。
• 利用相对论对称性（包括 C3 旋转和 T 对称性论据）将 XMCD 分解为来自子晶格 A 与 B 的位点分辨贡献。
• 研究四种模型变体以评估价态 3d SOC 与核—价态互作用的作用。
• 引入域平均以反映多重 L 取向，并考虑 6 T 场下的场诱导倾斜（m6T ≈ 0.1 μB），以获得对比的光谱。

Figure 1: Mn moments $\mathbf{m}_{A}$ and $\mathbf{m}_{B}$ in $\alpha$ -MnTe structure (with Te octahedra) for the studied Néel vector $\mathbf{L}$ orientations. The mirror plane $\mathcal{M}$ discussed in the text is marked in blue. While in the right panel $\mathcal{M}$ is an element of the magnet

实验结果

研究问题

• RQ1 在像 α-MnTe 这样具抵消反平行序的铝磁体中，XMCD 是否会出现？
• RQ2 Néel 向量 L 相对于光传播方向的取向如何影响 XMCD 信号？
• RQ3 α-MnTe 中 XMCD 的微观起源是什么——价态 SOC、核 SOC 还是核—价态互作用——与 AHE 有何不同？
• RQ4 磁域结构与场诱导的倾斜对 XMCD 的幅值与谱有何影响？
• RQ5 XMCD 能否作为光学/显微成像探针，用于成像铝磁域及其动力学？

主要发现

• Mn L2,3 边的 XMCD 谱在 L 取向位于垂直于光的平面的情况下呈现特征性形状，理论与实验一致。
• 测得的 XMCD 的幅值约为计算值的十倍之差，因为域在六个易轴 L 取向上进行了平均。
• 当 k 平行于 L 时，价态 3d SOC 的作用可以忽略；核—价态多极互作用改变谱形但不改变幅值。
• 当 k 垂直于 L 时，XMCD 较弱，但来自 A 与 B 亚晶格的贡献可相加得到净 XMCD；其符号与存在性取决于 L 的取向，在某些平面内轴向对称性导致在某些方向消失。
• 零场下亚晶格矩量向 c 轴的倾斜产生的微弱铁磁性 XMCD 相对于 k ⟂ L 的贡献可忽略；在 6 T 场下，净 m6T ≈ 0.1 μB 使谱随 m6T/m_sat ≈ 1/50 的比例尺度化，理论与实验趋于一致。
• α-MnTe 中的 XMCD 源于核自旋轨道耦合与核—价态交换互作用的结合，而非价态 3d 状态的 SOC，这与 AHE 的起源区别开来。

Figure 2: a) Mn $L_{2,3}$ -edge spectra in theory (black) and experiment (red dotted) for light propagating along the $c$ -axis. Top: XAS. Middle: XMCD in zero field after cooling in 6 T. Bottom: measured XMCD in the applied field of 6 T (red dotted), calculated XMCD for $\mathbf{k}$ parallel to the