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Room-temperature flexible manipulation of the quantum-metric structure in a topological chiral antiferromagnet

トポロジカルカイラル反強磁性体における量子計量構造の室温下可変制御

Han, J.*; 内村 友宏*; 荒木 康史   ; Yoon, J.-Y.*; 竹内 祐太郎*; 山根 結太*; 金井 駿*; 家田 淳一   ; 大野 英男*; 深見 俊輔*

Han, J.*; Uchimura, Tomohiro*; Araki, Yasufumi; Yoon, J.-Y.*; Takeuchi, Yutaro*; Yamane, Yuta*; Kanai, Shun*; Ieda, Junichi; Ohno, Hideo*; Fukami, Shunsuke*

量子状態の幾何学的構造を特徴づける基礎的な量として、「量子計量」と「ベリー曲率」が存在する。ベリー曲率は、凝縮系において多種の重要な現象に寄与することが知られている。一方、量子計量も新たなトポロジカル物理現象の起源となることが予想されているが、特に常温常圧下においては、その効果はほとんど探索されていない。本研究では、トポロジカルカイラル反強磁性体Mn$$_{3}$$Snと白金の接合系を用い、界面でのナノスピン構造を介して、電子系の量子計量構造の制御に成功した。ベリー曲率ではなく量子計量特有の効果として、時間反転反対称でかつ電子散乱に対して頑強な、二次非線形ホール効果を測定した。更に、界面スピン構造は弱磁場及び界面スピン軌道相互作用によって急峻に変調されるため、量子計量構造も鋭敏に制御可能であることを示した。本研究成果により、量子状態に内在する量子計量構造を活用したトポロジカル物理現象が室温環境下でも可能になり、且つ応用面においても非線形素子を構築する助けとなることが期待される。

Quantum metric and Berry curvature are two fundamental and distinct factors to describe the geometry of quantum eigenstates. While Berry curvature is known for playing crucial roles in several condensed-matter states, quantum metric, which was predicted to induce new classes of topological phenomena, has rarely been touched, particularly in an ambient circumstance. Using a topological chiral antiferromagnet Mn$$_{3}$$Sn adjacent to Pt, at room temperature, we successfully manipulate the quantum-metric structure of electronic states through its interplay with the nanoscale spin texture at the Mn$$_{3}$$Sn/Pt interface. This is manifested by a time-reversal-odd second-order Hall effect that is robust against extrinsic electron scattering, in contrast to any transport effects from the Berry curvature. We also verify the flexibility of controlling the quantum-metric structure, as the interacting spin texture can be tuned by moderate magnetic fields or by interface engineering via spin-orbit interactions. Our work paves a way for harnessing the quantum-metric structure to unveil emerging topological physics in practical environments and to build applicable nonlinear devices.

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パーセンタイル:87.91

分野:Physics, Multidisciplinary

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