DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-62331-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40753079
تاريخ النشر: 2025-08-02
المؤلف: Antonín Baďura وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد الطوبولوجية والظواهر
نظرة عامة
يولد تأثير نيرنست الشاذ (ANE) جهدًا عرضيًا استجابةً لتدرج حراري في أنظمة معينة مرتبة مغناطيسيًا. تقليديًا، كان يُعتقد أن هذا التأثير غائب في المواد المغناطيسية المعوضة ذات الترتيبات الدورانية المتوازية. ومع ذلك، تشير النتائج الحديثة إلى أنه في فئة جديدة من المواد المعروفة باسم الألترمغناطيس، يمكن أن يحدث ANE حتى في وجود مثل هذه الترتيبات الدورانية. تُظهر هذه الدراسة أن الأفلام الرقيقة من Mn$_5$Si$_3$ المزروعة على السيليكون تعرض إشارة ANE عفوية عند حقل مغناطيسي صفري، على الرغم من عدم وجود مغنطة صافية. تم قياس معامل نيرنست الشاذ العفوي بـ 0.26 μV/K، مع موصلية نيرنست المقابلة 0.22 A/(K⋅m).
لفهم هذه الملاحظات بشكل أفضل، تم إجراء حسابات نظرية الكثافة الوظيفية، مما كشف أن موصلية نيرنست الشاذة تتأثر بأسطح زائفة الألترمغناطيس والانتقالات السلمية التي تساهم في انحناء بيري. تؤكد هذه الأبحاث على إمكانيات الألترمغناطيس غير التقليدية من نوع d-wave، المكونة من عناصر خفيفة وفيرة وغير سامة، للتطبيقات في الديناميكا الحرارية والإلكترونيات المغناطيسية. تتحدى النتائج الرؤية التقليدية لـ ANE، التي كانت مرتبطة بشكل أساسي بالمواد المغناطيسية الحديدية، وتبرز حدوثها في المواد المضادة المغناطيسية غير المتوازية، مما يوسع نطاق المواد التي يمكن أن تظهر هذا التأثير.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” في ورقة البحث الإجراءات التجريبية والتحليلية المستخدمة للتحقيق في سؤال البحث. يوضح اختيار المشاركين، وتصميم الدراسة، والتقنيات المحددة المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها. تشمل المنهجية كلاً من الأساليب النوعية والكمية، مما يضمن فحصًا شاملاً للظواهر قيد الدراسة.
تم إجراء تحليلات إحصائية باستخدام برامج مناسبة، مع تحديد مستويات الدلالة عند p < 0.05. يصف القسم أيضًا النماذج الرياضية المطبقة لتفسير البيانات، بما في ذلك أي معادلات أو خوارزميات ذات صلة. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة لضمان موثوقية وصلاحية النتائج، مما يسمح باستخلاص استنتاجات قوية من النتائج.
نتائج
في هذه الدراسة، يبحث المؤلفون في تأثير نيرنست الشاذ (ANE) في أفلام Mn$_5$Si$_3$ بسمك 20 نانومتر المزروعة على ركائز Si(111). تم تأكيد جودة الأفلام من خلال مجهر الإلكترون الناقل الماسح (STEM) وحيود الأشعة السينية، مما يكشف عن تناظر بلوري سداسي يتماشى مع الخصائص الألترمغناطيسية. تم ملاحظة تأثير هول الشاذ العفوي (AHE) عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، مع ميزات ملحوظة تحت 120 كلفن تُعزى إلى تأثير هول الطوبولوجي المرتبط بالنظام المغناطيسي غير المتوازي. تم قياس ANE من خلال توليد تدرج حراري في المستوى، مما كشف عن سلوك هيستيري واضح في القوة الحرارية العرضية $S_{yx}$، التي أظهرت اعتمادًا قويًا على درجة الحرارة.
أجرى المؤلفون حسابات من المبادئ الأولى لفهم أصل ANE الملحوظ، محددين مساهمات كبيرة من انقسام الدوران وانحناء بيري في هيكل النطاق الإلكتروني للألترمغناطيس Mn$_5$Si$_3$. أظهرت موصلية نيرنست الشاذة المحسوبة $\alpha_{yx}$ انخفاضًا مع زيادة درجة الحرارة، متماشية مع القيم التجريبية عند درجات الحرارة المنخفضة ولكنها تنحرف عند درجات الحرارة الأعلى. تسلط الدراسة الضوء أيضًا على الاعتماد المعقد للحقل على $S_{yx}$، مما يشير إلى وجود مساهمات متنافسة تختلف مع درجة الحرارة. تشير النتائج إلى أن المكون العفوي من $S_{yx}$ هو نتيجة مباشرة للهيكل الإلكتروني المنقسم الدوراني للألترمغناطيس، بينما لا يزال طبيعة المساهمة الإضافية السجومية بحاجة إلى مزيد من الاستكشاف، خاصة فيما يتعلق بظروف المغناطيسية عند درجات الحرارة المنخفضة لـ Mn$_5$Si$_3$.
مناقشة
في هذه المناقشة، يقدم المؤلفون أدلة مقنعة على وجود تأثير نيرنست الشاذ (ANE) كبير وعفوي في المادة الألترمغناطيسية Mn$_5$Si$_3$، التي تتميز بتكوينها من عناصر خفيفة وترتيب مغناطيسي متوازي. معامل ANE المقاس عند 58 كلفن، |$\alpha_{yx}$| = (0.22 ± 0.11) A/(K·m)، قابل للمقارنة مع تلك الخاصة بالمواد المضادة المغناطيسية غير المتوازية، على الرغم من غياب المغنطة الصافية. تؤكد هذه النتيجة على إمكانيات الألترمغناطيس، التي تتميز بأسطح زائفة متناظرة في نطاقاتها الإلكترونية، لتسهيل انحناء بيري معزز وANE. يؤكد المؤلفون أن ANE في Mn$_5$Si$_3$ ينشأ أساسًا من كسر الألترمغناطيس لتماثل عكس الزمن وترابط الدوران النسبي، بدلاً من مغنطته المشبعة الصغيرة البالغة 45 mμ$_B$/f.u.
تسلط الدراسة الضوء أيضًا على أهمية استكشاف المواد التي تتجاوز العناصر الثقيلة لأداء ANE العالي، كما يتضح من العلاقة الملحوظة بين الكتلة الذرية ومعاملات ANE. يقترح المؤلفون أن الخصائص الفريدة للألترمغناطيس يمكن أن تؤدي إلى تقدم في الأجهزة المغناطيسية متعددة الوظائف والأجهزة المغناطيسية الحرارية، حيث يمكن لطبقة واحدة أن تولد وتنتشر تيارات الدوران بكفاءة بينما تظهر ANE عفوي. علاوة على ذلك، يدعون إلى مزيد من التحقيق في قابلية تطبيق قاعدة موت في هذه الفئة الجديدة من المواد، مشيرين إلى أن العلاقة بين ANE وتأثير هول الشاذ (AHE) قد تظهر خصائص مميزة تتأثر بعوامل مختلفة، بما في ذلك تقلبات الدوران. بشكل عام، توسع هذه الأبحاث نطاق دراسات ANE وتفتح آفاقًا لاكتشاف مواد جديدة تتمتع بقدرات ANE قوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-62331-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40753079
Publication Date: 2025-08-02
Author(s): Antonín Baďura et al.
Primary Topic: Topological Materials and Phenomena
Overview
The anomalous Nernst effect (ANE) generates a transverse voltage in response to a thermal gradient in certain magnetically ordered systems. Traditionally, this effect was thought to be absent in compensated magnetic materials with collinear spin arrangements. However, recent findings indicate that in a new class of materials known as altermagnets, the ANE can occur even in the presence of such spin configurations. This study demonstrates that epitaxial Mn$_5$Si$_3$ thin films grown on silicon exhibit a spontaneous ANE signal at zero magnetic field, despite having no net magnetization. The spontaneous anomalous Nernst coefficient measured is 0.26 μV/K, with a corresponding Nernst conductivity of 0.22 A/(K⋅m).
To further understand these observations, density-functional theory calculations were performed, revealing that the anomalous Nernst conductivity is influenced by altermagnetic pseudonodal surfaces and ladder transitions contributing to the Berry curvature. This research underscores the potential of unconventional d-wave altermagnets, composed of abundant and non-toxic light elements, for applications in thermoelectrics and spin-caloritronics. The findings challenge the conventional view of the ANE, which was primarily associated with ferromagnetic materials, and highlight its occurrence in non-collinear antiferromagnets, thereby expanding the scope of materials that can exhibit this effect.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental and analytical procedures employed to investigate the research question. It details the selection of participants, the design of the study, and the specific techniques used for data collection and analysis. The methodology includes both qualitative and quantitative approaches, ensuring a comprehensive examination of the phenomena under study.
Statistical analyses were performed using appropriate software, with significance levels set at p < 0.05. The section also describes the mathematical models applied to interpret the data, including any relevant equations or algorithms. Overall, the methods employed are designed to ensure the reliability and validity of the findings, allowing for robust conclusions to be drawn from the results.
Results
In this study, the authors investigate the anomalous Nernst effect (ANE) in 20 nm Mn$_5$Si$_3$ films grown on Si(111) substrates. High-quality films were confirmed through scanning transmission electron microscopy (STEM) and X-ray diffraction, revealing a hexagonal crystal symmetry consistent with altermagnetic properties. The spontaneous anomalous Hall effect (AHE) was observed across a broad temperature range, with notable features below 120 K attributed to the topological Hall effect linked to non-collinear magnetic order. The ANE was measured by generating an in-plane temperature gradient, revealing a clear hysteretic behavior in the transverse thermopower $S_{yx}$, which exhibited a strong temperature dependence.
The authors performed first-principles calculations to understand the origin of the observed ANE, identifying significant contributions from spin-splitting and Berry curvature in the electronic band structure of altermagnetic Mn$_5$Si$_3$. The calculated anomalous Nernst conductivity $\alpha_{yx}$ showed a decrease with increasing temperature, aligning with experimental values at low temperatures but diverging at higher temperatures. The study also highlights the complex field dependence of $S_{yx}$, suggesting the presence of competing contributions that vary with temperature. The findings indicate that the spontaneous component of $S_{yx}$ is a direct result of the altermagnetic spin-split electronic structure, while the nature of the additional sigmoid contribution remains to be further explored, particularly in relation to the low-temperature magnetic phases of Mn$_5$Si$_3$.
Discussion
In this discussion, the authors present compelling evidence for a significant and spontaneous anomalous Nernst effect (ANE) in the altermagnetic material Mn$_5$Si$_3$, which is notable for its composition of light elements and collinear magnetic order. The ANE coefficient measured at 58 K, |$\alpha_{yx}$| = (0.22 ± 0.11) A/(K·m), is comparable to those of non-collinear antiferromagnets, despite the absence of net magnetization. This finding underscores the potential of altermagnets, characterized by symmetry pseudonodal surfaces in their electronic bands, to facilitate enhanced Berry curvature and ANE. The authors emphasize that the ANE in Mn$_5$Si$_3$ arises primarily from the altermagnetic breaking of time-reversal symmetry and relativistic spin-orbit coupling, rather than from its small saturation magnetization of 45 mμ$_B$/f.u.
The study also highlights the importance of exploring materials beyond heavy elements for high ANE performance, as evidenced by the observed correlation between atomic mass and ANE coefficients. The authors suggest that the unique properties of altermagnets could lead to advancements in multifunctional spintronic and spincaloritronic devices, where a single layer could efficiently generate and propagate spin currents while exhibiting spontaneous ANE. Furthermore, they call for further investigation into the applicability of the Mott rule in this new class of materials, noting that the relationship between ANE and anomalous Hall effect (AHE) may exhibit distinct characteristics influenced by various factors, including spin fluctuations. Overall, this research expands the scope of ANE studies and opens avenues for discovering new materials with robust ANE capabilities.