[論文レビュー] Altermagnetic multiferroics and altermagnetoelectric effect

Libor Šmejkal|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2024

Multiferroics and related materials被引用数 14

ひとこと要約

この論文は第一原理計算を用いて、特定の強誘電体におけるアルターマグネティックスピン偏極を示し、アルターマグネティック偏極スピン群を分類し、非相対論的なアルターマグネトエレクトリック結合メカニズムを提案する。

ABSTRACT

Magnetoelectric multiferroics are highly sought after for applications in low-power electronics and for advancing fundamental research, including axion insulators and dark matter detection. However, achieving a combination of ferroic spin and electric orders, along with their controllable switching, remains a significant challenge in conventional ferromagnets and antiferromagnets. Here, we present first-principles evidence that time-reversal symmetry-breaking altermagnetic spin polarization with relatively high critical temperatures can emerge in ferroelectrics BaCuF$_4$ (T$_N$ $\sim$ 275K) and Ca$_3$Mn$_2$O$_7$ (T$_N$ $\sim$ 110K). Furthermore, we classify all possible altermagnetic polar spin groups, revealing altermagnetism in a collinear phase of BiFeO$_3$. We also propose an altermagnetoelectric effect, a nonrelativistic cross-coupling between altermagnetic spin polarization and ferroelectric polarization, mediated by a rotation of nonmagnetic polyhedra in the lattice structure. Our findings suggest an alternative pathway towards high-temperature magnetoelectric multiferroicity and the electric field control of altermagnetic order parameters.

研究の動機と目的

• 高い臨界温度の比較的高い磁性・反強磁性を持つ強誘電体における時間反転対称性を破るアルターマグネティックスピン偏極を実証する。
• BiFeO3を含むすべての可能なアルターマグネティック偏極スピン群を分類する。
• アルターマグネティック秩序と強誘電秩序間の非相対論的横方向結合機構としてアルターマグネトエレクトリック効果を提案する。
• 高温磁電多機能性とアルターマグネティック秩序パラメータの電場制御に対する含意を探る。

提案手法

• BaCuF4（T_N ~275 K）および Ca3Mn2O7（T_N ~110 K）におけるアルターマグネティックスピン偏極を特定するための第一原理計算を実施する。
• アルターマグネティック偏極スピン群を分類し、BiFeO3の共線性相におけるアルターマグネティズムを同定する。
• 非磁性格の格子多面体の回転によって媒介される非相対論的なアルターマグネトエレクトリック結合機構を提案・明示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的に関連温度で、アルターマグネティックスピン偏極は強誘電体材料で現れ得るのか？
• RQ2 どの結晶学群がアルターマグネティック偏極を支持し、BiFeO3にはアルターマグネティズムが存在するのか？
• RQ3 アルターマグネティック秩序と強誘電秩序を結ぶ実現可能なアルターマグネトエレクトリック結合機構はあるのか？
• RQ4 高温磁電多機能性の実現とアルターマグネティック秩序の電場制御に対する含意は何か？

主な発見

• BaCuF4（T_N ~275 K）および Ca3Mn2O7（T_N ~110 K）における時間反転対称性を破るアルターマグネティックスピン偏極の第一原理証拠。
• アルターマグネティック偏極スピン群の分類、BiFeO3の共線性相におけるアルターマグネティズムの同定。
• アルターマグネティック秩序と強誘電秩序の非相対論的横方向結合としてのアルターマグネトエレクトリック効果の導入。
• 結合が非磁性格の格子多面体の回転によって媒介されるという提案メカニズム。