Temperature-invariant magneto-optical Kerr effect in a noncollinear antiferromagnet

技术摘要：非共线反铁磁体中具有温度不变性的磁光克尔效应

问题陈述
非共线反铁磁体（AFMs）表现出自发的时空反演对称性破缺（TRSB）以及显著的反常霍尔效应（AHE）和磁光克尔效应（MOKE），尽管其净磁化强度极小。这些特性在理论上与电子能带结构的固有贝里曲率（$\Omega(\mathbf{k})$）相关联，而贝里曲率可作为反铁磁自旋电子器件的潜在“信息载体”。然而，实验测量中显著的温度依赖性阻碍了对这些效应的定量解释。

• 输运限制： 在直流（DC）输运中，测得的反常霍尔电导率（$\sigma_{xy}$）在温度降低时往往会发生数量级的变化，即使磁序参数已经饱和。这归因于外在散射机制，特别是斜散射（skew scattering），它与固有的贝里曲率贡献交织在一起。
• 光学限制： 先前的非共线反铁磁体 MOKE 研究是在高光子能量（>1.5 eV）下进行的。这些测量受到光学共振效应和符号反转的影响，难以分离出用于定量读取所需的固有、序参数饱和响应。

方法论
作者研究了外延生长、化学计量比的 $\text{Mn}_3\text{NiN}$ 单晶薄膜，这是一种在奈尔温度（$T_N$）约为 240 K 以下具有 $\Gamma_{4g}$ 自旋结构的典型非共线反铁磁体。

• 光学探测： 本研究利用了低光子能量（0.8 eV，即 1550 nm 电信波长）的极化 MOKE 测量。选择该能量是为了位于 epsilon 近零（ENZ）点和光学跃迁阈值之下，从而抑制外在光学共振贡献。
• 仪器： 测量采用了零面积环路 Sagnac 干涉显微镜，该设备具有极高的灵敏度（10 nrad 分辨率），并能够检测微观 TRSB，而无需通过磁滞回线来抵消非 TRSB 效应。
• 对比分析： 光学 MOKE 响应直接与同一样品上的直流 AHE 测量进行了对比。直流霍尔电导率通过标准标度律（$\rho_{xy} = a\rho_{xx} + b\rho_{xx}^2$）进行分析，以分离固有贡献与外在（斜散射）贡献。

关键结果

1. 温度不变的 MOKE： 化学计量比 $\text{Mn}_3\text{NiN}$ 中的自发克尔信号（$\theta_K$）在 $T_N$ 以下 200 K 的温度范围内保持稳定。具体而言，信号在 200 K 以下饱和于 $\sim$59 $\mu$rad，且在 100 K 以下的变化小于 1%。这种稳定性在不同的磁场冷却方案和空间位置下均保持一致。
2. 与直流 AHE 的对比： 在相同样品中，直流反常霍尔电导率（$\sigma_{xy}$）在温度从 $T_N$ 降至 2 K 的过程中表现出强烈的、近乎线性的增长（从 5 S/cm 上升至 27 S/cm）。标度分析证实，这种温度依赖性主要由外在斜散射（参数 $a$）主导，而固有贡献（参数 $b$）保持不变。
3. 光学电导稳定性： 在 0.8 eV 下的反射率测量显示，纵向光学电导（$\sigma_{xx}$）的温度依赖性极小（在 80 K 以下变化 <1%）。这表明观测到的 MOKE 稳定性源于固有的贝里曲率项，而非介电函数的变化。
4. 化学计量比依赖性： 氮缺失的 $\text{Mn}_3\text{NiN}$ 薄膜在低温下表现出克尔信号显著下降。作者将其归因于混合 $\Gamma_{5g}$ 相的出现，该相禁止 AHE 和 MOKE，这与化学计量比薄膜中稳健的 $\Gamma_{4g}$ 相形成鲜明对比。
5. 畴行为： 虽然信号幅度具有温度不变性，但空间成像显示出一种可重复的、处于噪声底以下的不均匀性（$\pm 3$ $\mu$rad），这归因于贝里曲率响应在实空间中的变化。

意义与主张
本文确立了红外 M-MOKE（1550 nm）是研究非共线反铁磁体中固有贝里曲率的可靠局部探针。通过在低光子能量下操作，使电子振荡距离过短，不足以受到外在散射（缺陷/声子）的影响，从而隔离了系统的几何特性。

• 定量读取： 与受斜散射掩盖的直流输运不同，具有温度不变性的光学响应允许对贝里曲率积分进行直接定量表征，有效地充当了反铁磁自旋结构的读取器。
• 技术相关性： 使用 1550 nm 电信波长结合信号的稳定性，使该方法成为推动反铁磁自旋电子技术发展的实用工具。
• 基本见解： 本工作阐明了为何之前的研究在高能 MOKE 中观察到强烈的温度依赖性（由于光学共振），并证明了只要最大限度减少外在散射和光学共振，固有的贝里曲率贡献在反铁磁相深处确实是温度无关的。