DOI: https://doi.org/10.1103/physrevb.111.l020412
تاريخ النشر: 2025-01-28
المؤلف: Rhea Hoyer وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية للأفلام الرقيقة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نوضح أن العوازل المغناطيسية التي تظهر ترتيبًا متوازيًا ومتعادلًا يمكن أن تولد تأثير هول الحراري عند عدم وجود مجال مغناطيسي، بشرط أن تمتلك تناظرات ألتيرمغناطيسية. على وجه التحديد، نتنبأ بوجود متجه موصلية هول الحرارية غير الصفري، الذي يُشار إليه بـ $\kappa_H$، لنموذج دوران فعال مستوحى من الروتايت يتضمن تفاعلات دزيالوشينسكي-موريا. باستخدام نظرية الموجات الدورانية الخطية، نحدد فرعين من الماجنون يمتلكان انحناء بيري متطابق، مما يساهم في وجود $\kappa_H$ نهائي. يتأثر هذا الاستجابة الحرارية هول باتجاه متجه نيل وتطبيق الضغط.
بالإضافة إلى ذلك، نستكشف استجابة نيرنست الدورانية، التي تسمح بإجراء تحليل مقارن لنقل الدوران والحرارة في العوازل الألتيرمغناطيسية بالنسبة للمغناطيسات الحديدية والمغناطيسات المضادة. تسلط نتائجنا الضوء على تأثير هول الحراري البلوري للماجنون وتقترح مرشحات مواد محتملة للتحقق التجريبي، بما في ذلك MnF$_2$ و CoF$_2$ و NiF$_2$.
نقاش
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نموذجًا بسيطًا لعازل ألتيرمغناطيسي ذو شبكتين فرعيتين، مع رسم أوجه التشابه مع بنية بلورة الروتايت. يتضمن هاملتونيان الدوران تفاعلات تبادل هايزنبرغ حتى الجار الثالث الأقرب ويشمل تفاعلات دزيالوشينسكي-موريا (DMI) لأخذ التأثيرات النسبية في الاعتبار. يظهر الحالة الأرضية الكلاسيكية ترتيب نيل متوازي، يتميز بالفرق في المغنطة بين الشبكتين الفرعيتين. يؤكد المؤلفون أنه على الرغم من أن النموذج لا يتضمن جميع التفاعلات المغناطيسية الممكنة، إلا أنه يساعد في توضيح الفيزياء الأساسية لتأثير هول الحراري (THE) وتأثير نيرنست الدوراني (SNE) في الألتيرمغناطيسيات.
يكشف التحليل أن الموصلية الحرارية هول الجوهرية، $\kappa_H$، تتأثر باتجاه متجه نيل ووجود DMI، مع إمكانية تحقيق $\kappa_H$ نهائي حتى عندما يكون انقسام النطاق الألتيرمغناطيسي ضئيلًا. تشير النتائج إلى أن انحناء بيري لفرعي الماجنون متطابق، مما يؤدي إلى مساهمات غير ملغاة في التيارات الحرارية، وهو تمييز ملحوظ عن الأنظمة المغناطيسية الحديدية والمغناطيسية المضادة. يستكشف المؤلفون أيضًا تأثير الضغط على تأثير هول الحراري، مقترحين أن التلاعب باتجاه متجه نيل من خلال الضغط القصي يمكن أن ينشط الموصلية الحرارية هول. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على الخصائص الفريدة للنقل في الألتيرمغناطيسيات وتقترح مزيدًا من التحقيقات التجريبية، لا سيما في مواد مثل NiF₂، للتحقق من التنبؤات النظرية.
DOI: https://doi.org/10.1103/physrevb.111.l020412
Publication Date: 2025-01-28
Author(s): Rhea Hoyer et al.
Primary Topic: Magnetic properties of thin films
Overview
In this study, we demonstrate that magnetic insulators exhibiting collinear and compensated order can generate a thermal Hall effect at zero magnetic field, provided they possess altermagnetic symmetries. Specifically, we predict a non-zero thermal Hall conductivity vector, denoted as $\kappa_H$, for a rutile-inspired effective spin model incorporating Dzyaloshinskii-Moriya interactions. Utilizing linear spin-wave theory, we identify two magnon branches that possess identical Berry curvature, contributing to a finite $\kappa_H$. This thermal Hall response is influenced by the orientation of the Néel vector and the application of strain.
Additionally, we explore the spin Nernst response, which allows for a comparative analysis of spin and heat transport in altermagnetic insulators relative to ferromagnets and antiferromagnets. Our findings highlight the crystal thermal Hall effect of magnons and suggest potential material candidates for experimental validation, including MnF$_2$, CoF$_2$, and NiF$_2$.
Discussion
In this section, the authors present a minimal model of a two-sublattice altermagnet, drawing parallels with the rutile crystal structure. The spin Hamiltonian incorporates Heisenberg exchange interactions up to the third-nearest neighbor and includes Dzyaloshinskii-Moriya interactions (DMI) to account for relativistic effects. The classical ground state exhibits collinear Néel order, characterized by the difference in magnetizations between the two sublattices. The authors emphasize that while the model does not include all possible magnetic interactions, it serves to elucidate the underlying physics of the thermal Hall effect (THE) and spin Nernst effect (SNE) in altermagnets.
The analysis reveals that the intrinsic thermal Hall conductivity, $\kappa_H$, is influenced by the orientation of the Néel vector and the presence of DMI, with finite $\kappa_H$ achievable even when the altermagnetic band splitting is negligible. The findings indicate that the Berry curvature of the magnon bands is identical, leading to non-canceling contributions to the thermal currents, a notable distinction from ferromagnetic and antiferromagnetic systems. The authors also explore the impact of strain on the thermal Hall effect, suggesting that manipulating the Néel vector orientation through shear strain can activate the thermal Hall conductivity. Overall, the study highlights the unique transport properties of altermagnets and proposes further experimental investigations, particularly in materials like NiF₂, to validate the theoretical predictions.