The electronic and magnetic properties of α-MnTe, an antiferromagnetic semiconductor

Abstract

Die elektronischen und magnetischen Freiheitsgrad von α-MnTe, einem antiferromagnetischen Halbleiter, wurden betrachtet, um die Kopplung zwischen den elektronischen und magnetischen Eigenschaften zu untersuchen. Magnonische Anregungen im magnetischen System wurden mithilfe eines Heisenbergmodells berechnet. Verwendet wurde die lineare Spinwellentheorie und die Holstein-Primakoff-Darstellung. Die zugrunde liegende Annahme ist, dass Laserpulse eine zeitliche Änderung der Heisenbergkopplungsparameter bewirken, sodass Magnonen angeregt werden. Der Einfluss der Stärke, der Frequenz und der Dauer des treibenden Terms wurden untersucht. Relaxation wurde durch einen phänomenologischen Zerfallsterm modelliert. Indem realistische Parameter verwendet wurden, konnte das Modell auf das Experiment angewendet werden. Die elektronische Bandstruktur und Zustandsdichte wurden mit einem Tight-Binding-Modell untersucht. Die entsprechenden Hüpfparameter wurden mit der Dichtefunktionaltheorie bestimmt. Eine Aufspaltung der Mn 3d-Bänder durch Korrelationen führt zu einer Bandlücke. Mithilfe von Projektionen auf die ursprünglichen Orbitale wird deutlich, dass das Valenzband Te 5p-Charakter hat, während das Leitungsband Mn 3d- und Mn 4s-Anteile aufweist. Ein Ein-Band-Kondo-Hubbard-Modell des Mn 3d-Systems kombiniert die elektronischen und magnetischen Freiheits grade. Gelöst wurde es mit der Dynamical Mean Field-Theorie und der Numerischen Renormierungsgruppenmethode. Gemessen wurde die Mottlücke in der paramagntischen und magnetisch geordnetetn Phase, um die Blauverschiebung der Lücke zu quantifizieren, welche durch die schmaler werdenden Bänder entsteht. Indem die berechnete Selbstenergie in das Multiorbital-Tight-Binding-Modell miteinbezogen wird, wird die Halbleiter-Bandlücke berechnet. Im Gegensatz zum Experiment wird die Bandlücke in der vorliegenden Modellierung kleiner für tiefere Temperaturen. Eine mögliche Erklärung wird diskutiert. Die Charakterisierung von elektronischen und magnetischen Eigenschaften von α-MnTe sowie die vorgeschlagenen Modelle können ein Ausgangspunkt für weitere Analysen des Materials darstellen. Des Weiteren können die vorgestellten Methoden auf andere antiferromagnetische Halbleitersysteme angewendet werden.

We calculated the electronic and magnetic degrees of freedom of α-MnTe, an antiferromagnetic semiconductor, to investigate the coupling between the electronic and magnetic properties. To calculate magnonic excitations, we described the magnetic system as a Heisenberg model and solved it within the linear spin wave theory with the Holstein-Primakoff representation. We assumed that laser pulses change Heisenberg couplings in time, which induces magnons. We determined the effect of the driving strength, frequency, and duration. To capture relaxation, we included a phenomenological decay. We applied our model to experiments by using realistic parameters. We studied the electronic properties by calculating the band structure and the density of states with a tight-binding model. To determine the hopping parameters, we used the density functional theory. By introducing a splitting between the Mn 3d bands induced by correlations, we obtained a band gap. The projections to the atomic orbitals revealed that the valence band is formed by Te 5p bands while the conduction band consists of Mn 3d and Mn 4s contributions. To combine electronic and magnetic degrees of freedom, we calculated the Green’s function and the spin expection values for a one-band Kondo-Hubbard model describing the Mn 3d electrons with the dynamical mean field theory and the numerical renormalization group method. We measured the Mott gap in the paramagnetic and antiferromagnetic phase to quantify the magnetic blue shift. The narrowing of the bands causes mainly the increase of the Mott gap. By including the resulting self-energy into a multi-orbital tight-binding model, we calculated the semiconductor band gap. The band gap becomes smaller for lower temperatures in our modeling in contrast to the experimental finding, with the possible explaination discussed. The concrete characterization of electronic and magnetic properties of α-MnTe and the proposed models might be a starting point for further analyses of the material. The presented methods can be also applied to other antiferromagnetic semiconductor systems.