Discrete degeneracies distinguished by the anomalous Hall effect in a metallic kagome ice compound

Zhao, K.*; 常盤 欣文  ; Chen, H.*; Gegenwart, P.*

Zhao, K.*; Tokiwa, Yoshifumi; Chen, H.*; Gegenwart, P.*

磁性結晶において、時間反転対称性が明示的に破れているにもかかわらず、時間反転に関連する二つの平衡状態は常にエネルギー的に等価である。強磁性体では、この時間反転の等価性は磁化の磁場依存性のヒステリシスおよび金属的な場合には異常ホール効果(AHE)のヒステリシスに現れる。時間反転において、これらの量は符号が変わるが、その大きさは変わらない。ここでは、金属的なカゴメ型スピンアイスHoAgGeにおいて、カゴメ面に平行な磁場が印加された際に時間反転に似た等価性が現れることを示す。低温で磁化の磁場依存性においては消失するヒステリシスが見られるが、磁場依存のAHEにおいては有限のヒステリシスがある。これは、ほぼ同じエネルギーと純磁化を持ちながら、AHEと縦方向の磁気抵抗の大きさが異なる状態の出現を示唆している。実験データと最小のタイトバインディングモデルの解析により、これらのほぼ等価な状態を関連付ける時間反転に似た操作を特定した。これは、HoAgGeにおけるカゴメ格子の非自明な歪みに関連している。われわれの研究は、トランスポート現象がイライラしたスピン系における隠れた対称性を特定するための診断力を示している。

In magnetic crystals, despite the explicit breaking of time-reversal symmetry, two equilibrium states related by time reversal are always energetically degenerate. In ferromagnets, this time-reversal degeneracy is reflected in the hysteresis of the magnetic field dependence of the magnetization and, if metallic, in that of the anomalous Hall effect (AHE). Under time-reversal, both these quantities change signs but not their magnitude. Here we show that a time-reversal-like degeneracy appears in the metallic kagome spin ice HoAgGe when magnetic fields are applied parallel to the kagome plane. We find vanishing hysteresis in the field dependence of the magnetization at low temperature, but finite hysteresis in the field-dependent AHE. This suggests the emergence of states with nearly the same energy and net magnetization but different sizes of the AHE and of the longitudinal magnetoresistance. By analysing the experimental data and a minimal tight-binding model, we identify a time-reversal-like operation connecting these near-degenerate states, which is related to the non-trivial distortion of the kagome lattice in HoAgGe. Our work demonstrates the diagnostic power of transport phenomena for identifying hidden symmetries in frustrated spin systems.