알터마그넷 Cr‑Mn Sb에서 비정상 홀 효과 구현

초록

본 연구는 Cr를 Mn으로 부분 치환한 Cr₁₋ₓMnₓSb(100) 에피택셜 박막에서 구조·자기 대칭을 조절함으로써, 기존 CrSb에서는 금지된 비정상 홀 효과(AHE)를 실현한다. 특히 x = 0.25 조성에서 Néel 벡터가 외부 자기장에 의해 재배향되며, Landau 이론 기반의 자유에너지 모델이 실험적 AHE와 좋은 정성적 일치를 보인다.

상세 분석

이 논문은 알터마그넷(Altermagnet)이라는 새로운 스핀트로닉스 후보 물질군에 대한 실험적 증거를 제공한다. 알터마그넷은 전통적인 반강자성체와 달리, 격자 대칭과 보상된 콜리니어 스핀 배열이 결합되어 밴드 구조에 교대적인 스핀 분할을 만든다. 이러한 스핀 분할은 순수히 대칭에 의해 발생하지만, 비정상 홀 효과(AHE)를 관측하려면 스핀‑오비트 결합과 특정 자기‑공간 대칭이 필요하다. CrSb는 높은 네일 온도(≈ 700 K)와 큰 알터마그넷 스핀 분할(≈ 0.6 eV)으로 이상적인 후보였지만, Néel 벡터가 c축과 평행해 AHE를 억제한다는 단점이 있었다. 반면 MnTe는 Néel 벡터가 c면 내에 있어 AHE가 관측된다. 저자들은 Cr을 Mn으로 부분 치환함으로써 두 물질의 장점을 결합하고, 자기 결정축을 조절한다.

실험적으로는 GaAs(110) 기판 위에 DC 스퍼터링으로 (100) 방향 에피택셜 박막을 성장시켰으며, EDX‑TEM으로 조성을 정확히 확인했다. 조성 x에 따라 네 가지 주요 상이 나타났으며, 특히 Cr₀.₇₅Mn₀.₂₅Sb는 온도 의존성 자화 측정에서 보상된 반강자성에서 약 300 K 부근의 페리자성 전이와 함께 c면 내의 약한 자이오스코픽 애니소트로피를 보였다.

Hall 측정에서는 300 K에서 3–5 T 사이에 외부 자기장을 약 2° 기울였을 때 뚜렷한 비선형 히스테리시스 루프가 나타났으며, 이는 AHE 신호로 해석된다. 다른 조성에서는 이러한 현상이 관찰되지 않아, Mn 함량이 Néel 벡터의 방향성을 바꾸는 데 결정적임을 시사한다.

자기 이방성 분석을 위해 각도 의존성 AMR을 측정했으며, 6‑fold 대칭 대신 2‑fold 대칭이 나타났다. 이는 에피택셜 스트레인에 의해 c면 내에서