DOI: https://doi.org/10.1038/s44306-024-00066-9
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: M. Naka وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية وخصائص النقل للبيروفسكايت والمواد ذات الصلة
طرق
في هذا القسم، يحدد المؤلفون البيروفسكيتات المحتملة البديلة المناسبة لتوليد تيار الدوران وتأثير هول الشاذ (AHE). يبرزون عدة مواد مرشحة بناءً على تكويناتها الإلكترونية، مع التركيز بشكل خاص على تلك التي تظهر ترتيب مضاد مغناطيسي من النوع C. ومن الجدير بالذكر أن CaCrO$_3$، مع أيونات Cr$^{4+}$ في تكوين (3d)$^2$، يُقدم كمرشح واعد بسبب توصيله المعدني تحت درجة حرارة نيل وترتيبه المضاد المغناطيسي من النوع C$_y$. كما يناقش المؤلفون أكاسيد الفاناديوم (AVO$_3$، A = La-Y) وأكاسيد المنغنيز (R$_x$A$_{1-x}$MnO$_3$) كمرشحين إضافيين، مؤكدين أن آلية توليد تيار الدوران قابلة للتطبيق على تكوينات إلكترونية مختلفة من النوع d.
يتناول القسم أيضًا تأثير هول الشاذ، مشيرًا إلى أن CaCrO$_3$ من المتوقع أن يظهر موصلية هول ($\sigma_{yz}$) في مرحلته المعدنية المضادة المغناطيسية من النوع C$_y$. تؤكد الحسابات الحديثة من المبادئ الأولى هذا التوقع. بالإضافة إلى ذلك، يذكر المؤلفون مواد أخرى مثل LaTiO$_3$ وLaVO$_3$، والتي من المتوقع أن تظهر AHE متناوبة، جنبًا إلى جنب مع أنظمة d$^3$ مثل LaCrO$_3$ وYCrO$_3$. كما يأخذون في الاعتبار البيروفسكيتات التي تحتوي على أيونات A$^{2+}$ وMn$^{4+}$، مثل CaMnO$_3$، والمركبات النادرة الأرض مثل LaFeO$_3$ وYFeO$_3$، كمرشحين قابلين للتحقيق لمزيد من البحث. بشكل عام، تشير النتائج إلى مجموعة متنوعة من المواد التي يمكن أن تسهل استكشاف تطبيقات السبينترونيك.
نقاش
في هذا القسم النقاشي، يستعرض المؤلفون الأسس النظرية والتطورات الحديثة في فهم تأثير هول الشاذ (AHE) في مواد البيروفسكيت التي تظهر ترتيبًا مضادًا مغناطيسيًا (AFM). يبرزون أن AHE يتم تفعيله في حالات AFM المائلة، خصوصًا في LaBO₃ (حيث B = Cr، Mn، Fe)، حيث يلعب المغناطيسية الضعيفة دورًا حاسمًا. يؤكد المؤلفون أن موصلية هول الضوئية، المحسوبة باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية من المبادئ الأولى، تكشف أن AHE موجود في تكوينات مرتبة للدوران تظهر لحظات مغناطيسية ضعيفة، مما يشير إلى أن المكونات الرئيسية من النوع AFM ضرورية للتأثير. كما يناقشون أهمية تشوه نوع GdFeO₃ في هيكل البيروفسكيت، الذي يؤثر على الخصائص الإلكترونية ويسهل توليد تيارات الدوران من خلال القفز الإلكتروني غير المتساوي.
يستعرض المؤلفون أيضًا الآليات المجهرية الكامنة وراء AHE، خصوصًا دور اقتران الدوران-المدار وتفاعلات الجار الأقرب التالي في توليد حقل مغناطيسي وهمي يدفع AHE. يقدمون تحليلًا مفصلًا لهياكل النطاق المنفصل للدوران والشروط اللازمة لتجلي AHE، مشيرين إلى أنه يعتمد على كسر بعض التناظرات المرتبطة بترتيب AFM. يختتم القسم بتأكيد المشهد البحثي المتوسع في المغناطيسية البديلة، مع آثار على ظواهر جديدة مثل تأثير البيزومغناطيسية وتطبيقات محتملة في المواد المتقدمة. يدعو المؤلفون إلى مزيد من التحقيقات التجريبية في مجموعة أوسع من مركبات البيروفسكيت لاستكشاف خصائصها البديلة ووظائفها.
DOI: https://doi.org/10.1038/s44306-024-00066-9
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): M. Naka et al.
Primary Topic: Magnetic and transport properties of perovskites and related materials
Methods
In this section, the authors identify potential altermagnetic perovskites suitable for spin current generation and the anomalous Hall effect (AHE). They highlight several candidate materials based on their electron configurations, particularly focusing on those exhibiting C-type antiferromagnetic (AFM) order. Notably, CaCrO$_3$, with Cr$^{4+}$ ions in a (3d)$^2$ configuration, is presented as a promising candidate due to its metallic conduction below the Néel temperature and its C$_y$-type AFM order. The authors also discuss vanadium oxides (AVO$_3$, A = La-Y) and manganese oxides (R$_x$A$_{1-x}$MnO$_3$) as additional candidates, emphasizing that the spin current generation mechanism is applicable to various d-electron configurations.
The section further elaborates on the AHE, indicating that CaCrO$_3$ is expected to exhibit a Hall conductivity ($\sigma_{yz}$) in its C$_y$-type AFM metallic phase. Recent first-principles calculations corroborate this expectation. Additionally, the authors mention other materials such as LaTiO$_3$ and LaVO$_3$, which are anticipated to exhibit ac AHE, along with d$^3$ systems like LaCrO$_3$ and YCrO$_3$. They also consider perovskites containing A$^{2+}$ and Mn$^{4+}$ ions, such as CaMnO$_3$, and rare-earth compounds like LaFeO$_3$ and YFeO$_3$, as viable candidates for further investigation. Overall, the findings suggest a diverse range of materials that could facilitate the exploration of spintronic applications.
Discussion
In this discussion section, the authors review the theoretical foundations and recent advancements in understanding the anomalous Hall effect (AHE) in perovskite materials exhibiting antiferromagnetic (AFM) order. They highlight that the AHE is activated in canted AFM states, particularly in LaBO₃ (where B = Cr, Mn, Fe), where weak ferromagnetism plays a crucial role. The authors emphasize that the optical Hall conductivity, calculated using first-principles density functional theory, reveals that the AHE is present in specific spin-ordered configurations that exhibit weak ferromagnetic moments, suggesting that the main AFM components are essential for the effect. They also discuss the significance of the GdFeO₃-type distortion in the perovskite structure, which influences the electronic properties and facilitates the generation of spin currents through anisotropic electron hopping.
The authors further elaborate on the microscopic mechanisms underlying the AHE, particularly the role of spin-orbit coupling and next-nearest-neighbor interactions in generating a fictitious magnetic field that drives the AHE. They present a detailed analysis of the spin-split band structures and the conditions necessary for the AHE to manifest, noting that it is contingent upon breaking certain symmetries associated with the AFM order. The section concludes by underscoring the expanding research landscape in altermagnetism, with implications for novel phenomena such as the piezomagnetic effect and potential applications in advanced materials. The authors call for further experimental investigations into a broader range of perovskite compounds to explore their altermagnetic properties and functionalities.