DOI: https://doi.org/10.1103/physrevb.110.144412
تاريخ النشر: 2024-10-08
المؤلف: Mercè Roig وآخرون
الموضوع الرئيسي: فيزياء الموصلية الفائقة والمغناطيسية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة شاملة على الألترمغناطيسيات، التي تتميز بتلاشي مغناطيسيتها الصافية على غرار الأنتيفيرومغناطيسيات، ومع ذلك تظهر كسر في تناظر عكس الزمن وهياكل حزم مقسمة حسب الزخم. يقترح المؤلفون سلسلة من النماذج البسيطة للألترمغناطيسية، مع التركيز على مجموعات الفضاء المركزية حيث تشغل الذرات المغناطيسية مواقع ويكوف المتناظرة عكسياً مع تعددية اثنين. تشمل هذه التحليل أربعين نموذجاً متميزاً عبر تنوعات بلورية مختلفة، بما في ذلك الهياكل أحادية الميل، والمستطيلة، والمربعة، والمعينية، والسداسية، والمكعبة، وتصنفها إلى الألترمغناطيسية من نوع d-wave و g-wave و i-wave.
بالإضافة إلى ذلك، يقدم المؤلفون قابلية مغناطيسية للألترمغناطيسية ويحققون في عدم استقرار الحقل المتوسط ضمن نموذج هوبارد، مما يوضح أن هذه النماذج يمكن أن تظهر حالات أرضية ألترمغناطيسية. يقدمون رؤى حول انتشار الألترمغناطيسيات في مجموعات الفضاء غير المتناظرة ويشرحون متطلبات التناظر لاقتران الزخم-الدوران، مما يؤدي إلى انحناء بيري يكون خطياً في هذا الاقتران عبر جميع النماذج. يتم توضيح النتائج من خلال تطبيقات على مواد محددة، بما في ذلك RuO\(_2\)، MnF\(_2\)، FeSb\(_2\)، κ-Cl، CrSb، وMnTe.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة المفهوم الناشئ للألترمغناطيسية، وهو ترتيب مغناطيسي جديد يجمع بين خصائص كل من المغناطيسات الحديدية والأنتيفيرومغناطيسات. تظهر الألترمغناطيسيات انقساماً في الطاقة بين حالات الدوران مشابهة للمغناطيسات الحديدية بينما تحافظ على مغناطيسية صافية تساوي صفر، على غرار الأنتيفيرومغناطيسات. من الجدير بالذكر أن الشبكات الفرعية للدوران في الألترمغناطيسيات مرتبطة من خلال تناظر دوران البلورة بدلاً من الترجمة أو الانعكاس. تحدد الورقة العديد من المواد، بما في ذلك RuO₂ و MnTe، كمرشحين لسلوك الألترمغناطيسية، مع التأكيد على تطبيقاتها المحتملة في الإلكترونيات الدورانية بسبب عدم حساسيتها للحقول المغناطيسية الخارجية وتأثير هول الشاذ المتوقع.
لاستكشاف خصائص الألترمغناطيسية، يقترح المؤلفون نماذج ربط ضيقة بسيطة تأخذ في الاعتبار العلاقة بين تناظر الموقع (S) للذرات المغناطيسية وتناظر مجموعة النقاط (P) لمجموعة الفضاء. تهدف هذه النماذج إلى توضيح الشروط التي تفضل الألترمغناطيسية على الترتيبات المغناطيسية التقليدية واستنتاج تعبيرات لانحناء بيري، وهو أمر حاسم لفهم تأثير هول الشاذ. توضح الورقة نهجاً منهجياً لتطوير هذه النماذج لمجموعات الفضاء المركزية المختلفة، مع تسليط الضوء على أهمية كسر تناظر مجموعة النقاط المحلية في توليد انقسامات دوران ألترمغناطيسية. يؤكد المؤلفون أن نماذجهم توفر إطاراً أكثر واقعية لدراسة الألترمغناطيسية مقارنة بالنماذج ذات النطاق الواحد السابقة، حيث تشمل ميزات أساسية مثل اقتران الزخم-الدوران المعتمد على الزخم (SOC) وتعدد النطاقات.
نقاش
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نماذج بسيطة للألترمغناطيسية قابلة للتطبيق على مجموعات الفضاء المركزية مع مواقع ويكوف المتناظرة عكسياً بتعدد 2. يتم تحديد معامل الطلب الأساسي كترتيب نيل على هذه المواقع، والذي يرتبط بانقسام الدوران الملحوظ في نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) للحزم. يتم بناء النماذج بناءً على العلاقة بين تناظر مجموعة النقاط وتناظر موقع ويكوف، مما يؤدي إلى هاملتونيان يلتقط الميزات الأساسية للحالات الألترمغناطيسية عبر هياكل بلورية متنوعة، بما في ذلك المجموعات أحادية الميل، والمستطيلة، والمكعبة. يتم التعبير عن انقسام الدوران الألترمغناطيسي كـ \( f_N(k) \sigma \)، حيث \( \sigma \) تشير إلى اتجاه دوران نيل، و \( f_N(k) \) هو دالة تعتمد على الزخم تعكس تناظر ترتيب نيل.
يستنتج المؤلفون أيضاً علاقات الانتشار ويحللون الشروط التي تفضل الألترمغناطيسية على المغناطيسية الحديدية. يسلطون الضوء على أهمية المساهمات بين النطاقات في القابلية، والتي يمكن أن تهيمن تحت ظروف معينة، خاصة عندما تكون هناك تعدد نطاقات يعزز القابلية بين النطاقات. يتم التحقق من صحة النموذج البسيط من خلال تطبيقات على مواد مثل RuO\(_2\)، مما يظهر قدرته على إعادة إنتاج انقسام الدوران الألترمغناطيسي الملحوظ في حسابات DFT. تشير النتائج إلى أن التفاعل بين كسر التناظر المحلي وترتيب نيل هو أمر حاسم لاستقرار الألترمغناطيسية، مع توفير النموذج إطاراً لفهم الآليات الأساسية التي تدفع هذه الظاهرة.
DOI: https://doi.org/10.1103/physrevb.110.144412
Publication Date: 2024-10-08
Author(s): Mercè Roig et al.
Primary Topic: Physics of Superconductivity and Magnetism
Overview
This section presents a comprehensive overview of altermagnets, which are characterized by their vanishing net magnetization akin to antiferromagnets, yet they display time-reversal symmetry breaking and momentum-dependent spin-split band structures. The authors propose a series of minimal models for altermagnetism, focusing on centrosymmetric space groups where magnetic atoms occupy inversion symmetric Wyckoff positions with multiplicity two. This analysis encompasses forty distinct models across various crystal symmetries, including monoclinic, orthorhombic, tetragonal, rhombohedral, hexagonal, and cubic structures, and categorizes them into d-wave, g-wave, and i-wave altermagnetism.
Additionally, the authors introduce an altermagnetic susceptibility and investigate mean field instabilities within a Hubbard model, demonstrating that these models can exhibit altermagnetic ground states. They provide insights into the prevalence of altermagnets in nonsymmorphic space groups and detail the symmetry requirements for spin-orbit coupling, which results in a Berry curvature that is linear in this coupling across all models. The findings are illustrated through applications to specific materials, including RuO\(_2\), MnF\(_2\), FeSb\(_2\), κ-Cl, CrSb, and MnTe.
Introduction
The introduction of the paper discusses the emerging concept of altermagnetism, a novel magnetic order that combines characteristics of both ferromagnets and antiferromagnets. Altermagnets exhibit energy splitting between spin states similar to ferromagnets while maintaining a net magnetization of zero, akin to antiferromagnets. Notably, the spin sublattices in altermagnets are connected through crystal rotation symmetry rather than translation or inversion. The paper identifies numerous materials, including RuO₂ and MnTe, as candidates for altermagnetic behavior, emphasizing their potential applications in spintronics due to their insensitivity to external magnetic fields and the predicted anomalous Hall effect.
To explore the properties of altermagnetism, the authors propose minimal tight-binding models that account for the relationship between the site symmetry (S) of magnetic atoms and the point group symmetry (P) of the space group. These models aim to elucidate the conditions favoring altermagnetism over conventional magnetic orders and to derive expressions for the Berry curvature, which is crucial for understanding the anomalous Hall effect. The paper outlines a systematic approach to develop these models for various centrosymmetric space groups, highlighting the significance of local point group symmetry breaking in generating altermagnetic spin splittings. The authors assert that their models provide a more realistic framework for studying altermagnetism compared to previous single-band models, as they incorporate essential features such as momentum-dependent spin-orbit coupling (SOC) and band degeneracies.
Discussion
In this section, the authors present minimal models for altermagnetism applicable to centrosymmetric space groups with inversion symmetric Wyckoff positions of multiplicity 2. The primary order parameter is identified as Néel order on these Wyckoff positions, which correlates with the spin splitting observed in density functional theory (DFT) bands. The models are constructed based on the relationship between the point group symmetry and the Wyckoff site symmetry, leading to a Hamiltonian that captures the essential features of altermagnetic states across various crystal structures, including monoclinic, orthorhombic, and cubic groups. The altermagnetic spin splitting is expressed as \( f_N(k) \sigma \), where \( \sigma \) denotes the Néel spin direction, and \( f_N(k) \) is a momentum-dependent function reflecting the symmetry of the Néel order.
The authors also derive the dispersion relations and analyze the conditions under which altermagnetism is favored over ferromagnetism. They highlight the significance of the interband contributions to the susceptibility, which can dominate under specific conditions, particularly when there are band degeneracies that enhance the interband susceptibility. The minimal model is validated through applications to materials like RuO\(_2\), demonstrating its ability to reproduce the altermagnetic spin splitting observed in DFT calculations. The findings suggest that the interplay between local symmetry breaking and Néel order is crucial for stabilizing altermagnetism, with the model providing a framework for understanding the underlying mechanisms driving this phenomenon.