非共線型反強磁性体におけるドメイン操作によるベリー位相異常ホール効果の制御

Core Concepts

非共線型反強磁性体であるMn3NiN薄膜において、ベリー位相に起因する大きな異常ホール効果が観測され、この効果は、弱いカントモーメントを持つ反強磁性ドメイン構造と外部磁場によるドメイン操作によって制御可能であることが示されました。

Abstract

Mn3NiN薄膜における異常ホール効果の起源と制御

本論文は、ペロブスカイト型LSAT基板上にエピタキシャル成長させた反ペロブスカイト型Mn3NiN薄膜における、大きな異常ホール効果(AHE)の観測と、その起源、制御可能性に関する研究論文です。

Mn3NiN薄膜の作製と結晶構造

研究チームは、まず、LSAT基板上に高品質なMn3NiN薄膜をエピタキシャル成長させることに成功しました。X線回折測定、反射高速電子線回折測定、原子間力顕微鏡観察の結果から、得られた薄膜は、高い結晶性と原子レベルで滑らか表面を持つことが確認されました。

磁気特性とAHEの観測

磁化測定の結果、Mn3NiN薄膜は、240 Kで常磁性状態から非共線型のΓ4g反強磁性状態へと転移することが明らかになりました。この転移温度以下で、大きなAHEが観測されました。

AHEの起源：ベリー位相とドメイン構造

観測されたAHEの大きさは、一般的な強磁性金属 comparable なものでしたが、Mn3NiN薄膜の正味の磁気モーメントは非常に小さく、従来の磁気モーメントに起因するAHEでは説明できませんでした。

研究チームは、第一原理計算を用いて、Mn3NiNのΓ4gスピン構造が非ゼロのベリー曲率を持つことを明らかにしました。このベリー曲率が、大きなAHEを生み出す要因であると結論付けられました。

AHEの制御：ドメイン操作

Mn3NiN薄膜は、弱いながらも正味の磁気モーメントを持つため、外部磁場によって反強磁性ドメインを操作することが可能です。実際に、異なる磁場中で冷却したMn3NiN薄膜では、AHEの大きさが変化することが観測されました。

結論と将来展望

本研究は、Mn3NiN薄膜における大きなAHEが、ベリー位相に起因し、反強磁性ドメイン構造と外部磁場によって制御可能であることを示しました。この成果は、AHEを用いた新しいスピントロニクスデバイスの開発に道を拓くものです。

Stats

Mn3NiN薄膜のネール温度は240 K。
Mn3NiN薄膜の飽和磁気モーメントは約0.008 μB/Mn。
Mn3NiN薄膜の異常ホール抵抗の最大値は約1 µΩ-cm。

Quotes

"This large AHE in the absence of a significant net moment suggests a Berry phase mechanism, and the weak moment provides a controllability to switch AFM domains, and hence the AHE, with applied magnetic field."

Key Insights Distilled From

Driving the Berry phase anomalous Hall effect in a noncollinear antiferromagnet by domain manipulation

by Yuchuan Yao,... at arxiv.org 10-07-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.02990.pdf

Deeper Inquiries

Mn3NiN以外の非共線型反強磁性体においても、同様のドメイン操作によるAHEの制御が可能となるか？

Mn3NiN以外の非共線型反強磁性体においても、原理的にはドメイン操作によるAHEの制御は可能です。
AHEの起源であるベリー曲率は、空間反転対称性と時間反転対称性が破れた系で生じます。非共線型反強磁性体は、その磁気構造自体が空間反転対称性を破っており、ベリー曲率を持ちうる系です。さらに、Mn3NiNのように弱いながらも磁気モーメントを持つことで、外部磁場によって反強磁性ドメインを制御し、AHEを制御することが可能になります。
ただし、実用上は材料ごとに以下の課題を検討する必要があります。

AHEの大きさ: 材料によってベリー曲率の大きさが異なり、大きなAHEを示さない可能性があります。
磁気異方性: 磁気異方性が大きすぎると、外部磁場でドメインを制御することが困難になります。
ドメイン壁のピン止め: 材料中の欠陥や不純物によってドメイン壁がピン止めされ、ドメイン制御が困難になる可能性があります。

大きなAHEを示すMn3NiN薄膜は、実際にスピントロニクスデバイスに応用できるのか？その際の課題は何か？

大きなAHEを示すMn3NiN薄膜は、スピントロニクスデバイスへの応用が期待されていますが、実用化にはいくつかの課題を克服する必要があります。
主な課題:

動作温度: Mn3NiNのネール温度は240Kと室温以下であるため、室温動作可能な材料の開発が必要です。
AHEの大きさ: デバイス応用には、より大きなAHEを示す材料が求められます。
材料の安定性: Mn3NiNは窒化物であり、空気中での安定性に課題があります。デバイス作製プロセスや動作環境における安定性を向上させる必要があります。
低電流密度での動作: スピン軌道トルク(SOT)を利用した反強磁性ドメインの制御には、大きな電流密度が必要となる場合があり、デバイスの低消費電力化が課題となります。
具体的な応用例と課題:

メモリデバイス: AHEの符号変化を利用した不揮発性メモリへの応用が考えられますが、室温動作と書き込み電流の低減が課題となります。
センサ: 磁場に応じてAHEが変化することを利用した磁気センサへの応用が考えられますが、感度向上とノイズ低減が課題となります。

ドメイン構造の制御による物性制御は、他のどのような分野に応用できるだろうか？例えば、光学特性や触媒活性などを制御できる可能性はあるか？

ドメイン構造の制御による物性制御は、スピントロニクス以外にも様々な分野への応用が期待されています。
光学特性制御:

電気光学効果: 強誘電体ドメインの配列制御により、光の屈折率や偏光状態を制御する電気光学効果の特性を変化させることができます。これにより、高速光変調器や光スイッチへの応用が期待されます。
非線形光学効果: ドメイン構造が非線形光学効果に影響を与えることが知られており、ドメイン制御による非線形光学材料の開発が期待されています。
触媒活性制御:

触媒反応の選択性向上: 触媒表面のドメイン構造を制御することで、特定の反応経路を促進し、触媒反応の選択性を向上させることができます。
触媒活性の向上: ドメイン構造と触媒活性との相関を解明することで、高活性な触媒の開発に繋がることが期待されています。
その他:

圧電特性制御: 強誘電体材料において、ドメイン構造を制御することで圧電特性を向上させる試みがなされています。
熱電特性制御: ドメイン構造が熱電材料の性能に影響を与えることが報告されており、ドメイン制御による熱電変換効率の向上が期待されています。
これらの分野において、ドメイン構造の制御は材料の機能を最大限に引き出すための有効な手段として期待されています。