抗強磁気トポロジー絶縁体MnBi2te4における量子形状四重極誘導3次非線形輸送

材料における量子幾何学効果の研究は、ここ数十年で最も重要な研究方向の1つです。材料の量子幾何学は、Bloch状態の量子幾何学的テンソルによって特徴付けられます。量子ジオメトリテンソルの想像上の部分は、ベリーの曲率を生じさせ、実際の部分は量子メトリックを生み出します。過去数十年でベリーの曲率はよく研究されてきましたが、量子メトリック効果に関する実験的調査は幼児期の段階にすぎません。この作業では、トポロジー抗フェルロマグネットであるバルクMNBI2TE4の非線形輸送を測定します。2次非線形応答は、反転対称性で必要とされるため、無視できることがわかりました。3次非線形応答は有限であることがわかりました。測定された第3式縦方向（v x x3Ω）および周波数3Ωの横方向（v x y3Ω）電圧、a.c。周波数ωの電流は、MNBI2TE4フレークの磁気遷移との親密なつながりを示します。Mnbi2te4フレークは、反強磁性状態から換気反強磁性状態および強磁性状態への磁気転移を経るため、それらの大きさは突然変化します。さらに、測定されたv x x3Ωは印加された磁場Bの均等な関数であり、v x y3ΩはBで奇妙です。x x3Ωは量子メトリック四重極によって誘導され、v x y3Ωはベリーの曲率四重極によって誘導されます。したがって、バルクMNBI2TE4の量子幾何学テンソルの実数および想像上の部分の両方の四重葉が、3次非線形輸送測定によって明らかにされます。この作業は、量子幾何学の高次モーメントと非線形輸送の間のつながりについての理解を大きく進めました。

The study of quantum geometry effects in materials has been one of the most important research directions in recent decades. The quantum geometry of a material is characterized by the quantum geometric tensor of the Bloch states. The imaginary part of the quantum geometry tensor gives rise to the Berry curvature while the real part gives rise to the quantum metric. While Berry curvature has been well studied in the past decades, the experimental investigation on the quantum metric effects is only at its infancy stage. In this work, we measure the nonlinear transport of bulk MnBi2Te4, which is a topological anti-ferromagnet. We found that the second order nonlinear responses are negligible as required by inversion symmetry, the third-order nonlinear responses are finite. The measured third-harmonic longitudinal ( V x x 3 ω ) and transverse ( V x y 3 ω ) voltages with frequency 3 ω , driven by an a.c. current with frequency ω , show an intimate connection with magnetic transitions of MnBi2Te4 flakes. Their magnitudes change abruptly as MnBi2Te4 flakes go through magnetic transitions from an antiferromagnetic state to a canted antiferromagnetic state and to a ferromagnetic state. In addition, the measured V x x 3 ω is an even function of the applied magnetic field B while V x y 3 ω is odd in B. Amazingly, the field dependence of the third-order responses as a function of the magnetic field suggests that V x x 3 ω is induced by the quantum metric quadrupole and V x y 3 ω is induced by the Berry curvature quadrupole. Therefore, the quadrupoles of both the real and the imaginary part of the quantum geometry tensor of bulk MnBi2Te4 are revealed through the third order nonlinear transport measurements. This work greatly advanced our understanding on the connections between the higher order moments of quantum geometry and nonlinear transport.