[오태구/박성준 박사, 양범정 교수] 반강자성체 수직자화 현상의 근본원인 규명 (Physical Review Letters 논문 게재)
반강자성체에 자기장을 걸면 보통 자기장 방향으로 자화가 유도되지만 어떤 물질들에서는 자기장에 수직방향으로 자화가 유도됨이 보고된 바 있다. 본 연구에서는 이런 수직자화 (transverse magnetization) 현상이 일어나는 근본적인 원인을 규명하였다. 연구진은 우선 수직 자화 현상이 나타날 수 있는 일반적인 조건을 대칭성을 기반으로 유도하였다. 그 후 미시적 스핀 헤밀토니안을 이용해서 스핀-궤도 결합에 의한 비등방적 스핀 상호작용과 기저상태의 축퇴도, 그리고 수직 자화 현상의 관계를 규명하였다. 일반적으로 기저상태 축퇴공간(degenerate ground state manifold)이 불연속적이면 수직자화가 항상 나타나고, 반면 기저상태 축퇴공간이 연속적인 경우는 단일스핀 비등방성(single-ion anisotropy) 조건하에서 자기장과 스핀 방향이 특정 조건을 만족할 때만 수직자화 현상이 생길 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 수직자화 현상의 결과로 반강자성체에서 비정상 평면 홀 효과(anomalous planar Hall effect)가 나타날 수 있음을 보였다.
Some antiferromagnets under a magnetic field develop magnetization perpendicular to the field as well as more conventional ones parallel to the field. So far, the transverse magnetization (TM) has been attributed to either the spin canting effect or the presence of cluster magnetic multipolar ordering. However, a general theory of TM based on microscopic understanding is still missing. Here, we construct a general microscopic theory of TM in antiferromagnets with cluster magnetic multipolar ordering by considering classical spin Hamiltonians with spin anisotropy that arises from the spin-orbit coupling. First, from general symmetry analysis, we show that TM can appear only when all crystalline symmetries are broken other than the antiunitary mirror, antiunitary twofold rotation, and inversion symmetries. Moreover, by analyzing spin Hamiltonians, we show that TM always appears when the degenerate ground state manifold of the spin Hamiltonian is discrete, as long as it is not prohibited by symmetry. On the other hand, when the degenerate ground state manifold is continuous, TM generally does not appear except when the magnetic field direction and the spin configuration satisfy specific geometric conditions under single-ion anisotropy. Finally, we show that TM can induce the anomalous planar Hall effect, a unique transport phenomenon that can be used to probe multipolar antiferromagnetic structures. We believe that our theory provides a useful guideline for understanding the anomalous magnetic responses of the antiferromagnets with complex magnetic structures..
Authors: Taekoo Oh, Sungjoon Park, Bohm-Jung Yang
Publication date: 29 June 2023
Link: Phys. Rev. Lett. 130, 266703 (2023) - Transverse Magnetization in Spin-Orbit Coupled Antiferromagnets (aps.org)