Strain engineering of the magnetic multipole moments and anomalous Hall effect in pyrochlore iridate thin films

최근 반강자성체에서의 이상 홀 효과 관측은 강자성체가 이상 홀 효과의 필요조건이 아니라는 것을 증명하였다. 이에 관하여 스핀 클러스터에 의해 만들어지는 다중 극자가 자화 없이도 이상 홀 효과를 관측할 수 있음을 이론적으로 보인 일이 있었다. 그러나 이 다중 극자와 그에 관련한 수송 효과의 조절에 관해서는 아직 제대로 연구되지 않고 있었다. 따라서 우리는 이 연구에서 스핀 오비탈 결합 반 강자성체에 변형을 가해 새로운 다중극을 형성하면 숨겨져 있던 베리 곡률 효과를 조작할 수 있다는 것을 말하고자 한다. 반강자성체인 Nd₂Ir₂O₇ 박막을 변형하면 큰 이상 홀 효과가 나온다는 사실로부터, 우리는 스핀 클러스터로 만들어진 T₁-팔중극이 이상 홀 효과의 유일한 원인임을 증명하였다. 우리는 이 연구가 이상 홀 효과를 변형으로 유도된 자기 구조를 통해 만들어 낼 수 있는 새로운 길을 제시하고, 강한 상호작용을 하는 물질에서 새로운 위상학적 현상을 발견하는 기반을 제공할 것으로 보고 있다.

The recent observation of the anomalous Hall effect (AHE) without notable magnetization in antiferromagnets has suggested that ferromagnetic ordering is not a necessary condition. Thus, recent theoretical studies have proposed that higher-rank magnetic multipoles formed by clusters of spins (cluster multipoles) can generate the AHE without magnetization. Despite such an intriguing proposal, controlling the unconventional AHE by inducing these cluster multipoles has not been investigated. Here, we demonstrate that strain can manipulate the hidden Berry curvature effect by inducing the higher-rank cluster multipoles in spin-orbit–coupled antiferromagnets. Observing the large AHE on fully strained antiferromagnetic Nd2Ir2O7 thin films, we prove that strain-induced cluster T1-octupoles are the only source of observed AHE. Our results provide a previously unidentified pathway for generating the unconventional AHE via strain-induced magnetic structures and establish a platform for exploring undiscovered topological phenomena via strain in correlated materials.

참여 연구원: 김우진, 오태구, 송정근, 고은교, Yangyang Li, 김봉주, 손재석, 양범정, 노태원

Link1: https://advances.sciencemag.org/content/6/29/eabb1539