Large magneto-optical Kerr effect and imaging of magnetic octupole domains in an antiferromagnetic metal

凝聚态物理 磁光克尔效应 克尔效应 反铁磁性 磁化 自旋电子学 铁磁性 自旋极化 铁磁性 物理 磁场 材料科学 量子力学 电子 非线性系统
作者
Tomoya Higo,Huiyuan Man,Daniel B. Gopman,Liang Wu,Takashi Koretsune,O.M.J. van ‘t Erve,Yury P. Kabanov,Dylan Rees,Yufan Li,Michi‐To Suzuki,Shreyas Patankar,Muhammad Ikhlas,C. L. Chien,Ryotaro Arita,Robert D. Shull,J. Orenstein,S. Nakatsuji
出处
期刊:Nature Photonics [Springer Nature]
卷期号:12 (2): 73-78 被引量:323
标识
DOI:10.1038/s41566-017-0086-z
摘要

When a polarized light beam is incident upon the surface of a magnetic material, the reflected light undergoes a polarization rotation. This magneto-optical Kerr effect (MOKE) has been intensively studied in a variety of ferro- and ferrimagnetic materials because it provides a powerful probe for electronic and magnetic properties as well as for various applications including magneto-optical recording. Recently, there has been a surge of interest in antiferromagnets (AFMs) as prospective spintronic materials for high-density and ultrafast memory devices, owing to their vanishingly small stray field and orders of magnitude faster spin dynamics compared to their ferromagnetic counterparts. In fact, the MOKE has proven useful for the study and application of the antiferromagnetic (AF) state. Although limited to insulators, certain types of AFMs are known to exhibit a large MOKE, as they are weak ferromagnets due to canting of the otherwise collinear spin structure. Here we report the first observation of a large MOKE signal in an AF metal at room temperature. In particular, we find that despite a vanishingly small magnetization of $M \sim$0.002 $\mu_{\rm B}$/Mn, the non-collinear AF metal Mn$_3$Sn exhibits a large zero-field MOKE with a polar Kerr rotation angle of 20 milli-degrees, comparable to ferromagnetic metals. Our first-principles calculations have clarified that ferroic ordering of magnetic octupoles in the non-collinear Neel state may cause a large MOKE even in its fully compensated AF state without spin magnetization. This large MOKE further allows imaging of the magnetic octupole domains and their reversal induced by magnetic field. The observation of a large MOKE in an AF metal should open new avenues for the study of domain dynamics as well as spintronics using AFMs.
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