Magnetic Excitations in Non-Collinear Antiferromagnetic Weyl Semimetal Mn3Sn /

Mn3Sn은 층상 카고메 격자를 가지는 바일 준금속 (Weyl semimetal)으로, 전자 구조의 위상 특성 때문에 반 강자성체임에도 구하고 강자성 물질에 준하는 아주 큰 비 정상 홀 효과를 보인다. 한편, Mn3Sn의 전자 구조에 내재된 위상 물리는 이 물질의 특이한 비 동일선상 (non-collinear) 자기 정렬과 관련이 있어서, 정밀한 자성 해밀토니안 (magnetic Hamiltonian)을 알아내면 자기 정렬과 위상 물리 간의 관계에 대해 더 자세히 이해 할 수 있다. 본 연구에서는 Mn3Sn 단결정에 대해 비 탄성 중성자 산란 실험을 하여 넓은 운동량-에너지 공간에 대해 스핀 파 스펙트럼을 측정하였고, 해당 실험결과를 잘 설명하는 자성 해밀토니안을 제일원리 계산결과와 함께 제시하였다. 더 나아가, 대칭구조 분석과 밀접 결합 근사 (tight-binding approximation)법을 이용한 간단한 전자 구조 계산으로 Mn3Sn에서 자기 정렬이 전자 구조의 위상적 특성에 어떠한 영향을 주는지 확인하였고, 이는 알려진 실험결과와 잘 일치하였다. 본 연구는 자성을 띠는 위상 준금속에서 전자 자유도와 스핀 자유도 사이에 긴밀한 상호작용이 존재함을 잘 보여준다.
Abstract: Mn3Sn has recently attracted considerable attention as a magnetic Weyl semimetal exhibiting concomitant transport anomalies at room temperature. The topology of the electronic bands, their relation to the magnetic ground state and their nonzero Berry curvature lie at the heart of the problem. The examination of the full magnetic Hamiltonian reveals otherwise hidden aspects of these unusual physical properties. Here, we report the full spin wave spectra of Mn3Sn measured over a wide momentum - energy range by the inelastic neutron scattering technique. Using a linear spin wave theory, we determine a suitable magnetic Hamiltonian which not only explains the experimental results but also stabilizes the low-temperature helical phase, consistent with our DFT calculations. The effect of this helical ordering on topological band structures is further examined using a tight-binding method, which confirms the elimination of Weyl points in the helical phase. Our work provides a rare example of the intimate coupling between the electronic and spin degrees of freedom for a magnetic Weyl semimetal system.

참여 연구원: 박평제, 오주성, 이기훈, 조환범, 김하림, 박제근
npj Quantum Materials 게재
https://www.nature.com/articles/s41535-018-0137-9