Magneto-optical study of distinct antiferromagnetic states using Sagnac interferometry = 사냑 간섭계를 이용한 독특한 반강자성 상태에 대한 자기-광학 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since magnetism arises from electron spins that are inherently odd under time reversal, time reversal symmetry breaking (TRSB) is a defining characteristic of magnetic order. However, unlike ferromagnets where spontaneous magnetization makes TRSB self-evident, many antiferromagnetic and unconventional magnetic phases exhibit vanishing net magnetization. In such systems, the magneto-optical Kerr effect, a definitive optical probe of TRSB, becomes minute and difficult to distinguish from environmental noise. Therefore, the investigation of these distinct magnetic states requires a measurement technique capable of separating intrinsic TRSB signals from reciprocal background.
In this thesis, I investigate the two distinct magnetic systems: the canted antiferromagnetism in Sr2IrO4 and the altermagnetism in MnTe. To achieve this, a fiber-based loop-less Sagnac interferometer is utilized. Because of its common-path geometry, it rejects all reciprocal signals arising from both the sample and the experimental background, enabling the resolution of tens of nanoradian-level non-reciprocal phase shifts essential for probing TRSB signals.
In the first part of the thesis, I investigate the local magnetic behavior of Sr2IrO4. By analyzing the symmetry of magnetization as a function of the magnitude and direction of the external magnetic field at various positions, I identified an Ir-O-Ir bond-directional nematic order that emerges after the spin-flip transition and constrains the spin orientation. Furthermore, spatially resolved scanning of the sample revealed that this order exhibits a distinct spatial distribution. Finally, I constructed a model Hamiltonian, which successfully reproduced the observed magnetic behaviors.
Later in the thesis, I briefly present the observation of a non-reciprocal optical response in altermagnetic MnTe. In recent reports, MnTe exhibits the anomalous Hall effect and spin-splitting in the electronic band structure, which verifies the broken time-reversal symmetry in this material. In this thesis, using the Sagnac interferometer, I report the optical signatures of TRSB in MnTe. Notably, the signal measured in zero-field after field cooling decreases sharply around 120 K. I attribute this behavior to the thermal randomization of the altermagnetic domains.

국문 초록 (Abstract)

자성은 시간 반전에 대해 본질적으로 홀함수인 전자의 스핀에서 기인하므로, 시간 반전 대칭성 깨짐은 자성 질서를 정의하는 핵심적인 특성이다. 그러나 자화가 존재하여 시간 반전 대칭성 깨짐이 자명하게 드러나는 강자성체와 달리, 많은 반강자성체 및 비전통적인 자성 상들은 순 자화가 거의 존재하지 않는다. 이러한 시스템에서는 시간 반전 대칭성 깨짐을 광학적으로 측정하는 수단인 자기-광학 커 효과가 매우 미세하여 환경 잡음과 구별하기 어렵다. 따라서 이러한 독특한 자성 상태를 연구하기 위해서는 내재적인 시간 반전 대칭성 깨짐 신호를 배경 신호로부터 분리해 낼 수 있는 측정 기술이 필요하다.
본 논문에서는 Sr2IrO4의 기울어진 반강자성과 MnTe의 교자성이라는 두 가지의 자성 시스템을 연구하였다. 이를 위해 광섬유 기반의 루프가 없는 구조의 사냑 간섭계가 사용되었다. 이 장치는 두 광로가 경로를 기하적으로 공유하는 구조를 가지고 있어 시료 및 실험 환경에서 발생하는 모든 시간 반전 대칭적인 신호를 제거할 수 있으며, 이를 통해 수십 나노라디안 수준의 시간 반전 대칭성 깨짐 위상 변화까지 분해할 수 있다.
논문의 전반부에서는 Sr2IrO4의 국소적 자성 거동을 탐구한다. 여러 위치에서 외부 자기장의 크기와 방향에 따른 자화의 대칭성을 분석한 결과, 스핀-플립 전이 이후 발현되어 스핀의 방향에 영향을 주는 Ir-O-Ir 결합 방향의 네마틱 질서를 확인하였다. 또한, 시료 전체에 대한 공간 분포 측정을 통해 해당 질서가 공간적으로 불균일한 분포를 가짐을 확인하였다. 마지막으로 모델 해밀토니안을 설계하고 계산하여 실험에서 관측한 자성 거동을 성공적으로 재현할 수 있었다.
논문의 후반부에서는 교자성체인 MnTe에서 관측된 시간 반전 대칭성이 깨진 광학 반응에 대해 간략히 기술한다. 최근 연구 보고들에 따르면 MnTe는 전자 밴드 구조에서의 스핀 분리와 이상 홀 효과를 보이며, 이는 해당 물질의 시간 반전 대칭성이 깨져있음을 입증한다. 본 논문에서는 사냑 간섭계를 이용하여 MnTe에서 나타나는 시간 반전 대칭성 깨짐의 광학적 증거를 보고한다. 특히, 자기장을 켠 채로 냉각한 후 자기장이 없는 조건에서 측정한 신호가 120 K 부근에서 급격히 감소하는 현상을 관측하였으며, 이를 교자성 도메인의 열적 무질서화에 기인한 것으로 해석한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figures v
• List of Tables vi
• 1 Introduction 1
• 1.1 Distinct antiferromagnetic states 1
• 1.2 Detection of TRSB via Sagnac interferometry 2
• 1.3 Outline of thesis 4
• 2 Experimental Methods 5
• 2.1 Schematic of loop-less Sagnac interferometer 5
• 2.2 Extraction of non-reciprocal phase shift 7
• 2.3 Experimental configurations for Kerr measurements 9
• 3 Bond-Directional Nematic Order in Sr2IrO4 11
• 3.1 Background 11
• 3.2 Canted antiferromagnetism in Sr2IrO4 12
• 3.3 Anomalous symmetry breaking across the spin-flip transition 14
• 3.3.1 Local magnetic response at P1 16
• 3.3.2 Local magnetic response at P2 17
• 3.3.3 Local magnetic response at P3 19
• 3.3.4 Extension of the local magnetic response to P4 and P5 20
• 3.4 Spatial distribution of symmetry breaking orders 21
• 3.5 Phenomenological modeling 23
• 3.5.1 Construction of the model Hamiltonian 24
• 3.5.2 Comparison with experimental data 28
• 3.6 Discussion 30
• 3.6.1 Exclusion of rotated conventional order at P2 30
• 3.6.2 Inconsistency of the orthogonal domain mixture at P3 31
• 3.6.3 Possible origin of the bond-directional nematic order 33
• 4 Sagnac Interferometric Signatures of TRSB in α-MnTe 35
• 4.1 Background 35
• 4.2 Altermagnetism in α-MnTe 37
• 4.3 Non-reciprocal optical response in altermagnetic MnTe 38
• 4.4 Discussion 40
• Bibliography 42
• Publication List 46
• 초 록 47