[論文レビュー] Altermagnets and beyond: Nodal magnetically-ordered phases

T. Jungwirth, Rafael M. Fernandes+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2024

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 5

ひとこと要約

アルテル磁性体のノーダル偶対称波磁性秩序を伴う総合的なレビューで、対称性に基づく同定、材料実現、電子構造の特徴、相対論的/トポロジー効果、非共線スピン密度への拡張を詳述する。

ABSTRACT

The recent discovery of altermagnets has opened new perspectives in the field of ordered phases in condensed matter. In strongly-correlated superfluids, the nodal p-wave and d-wave ordered phases of $^{3}$He and cuprates play a prominent role in physics for their rich phenomenology of the symmetry-breaking order parameters. While the p-wave and d-wave superfluids have been extensively studied over the past half a century, material realizations of their magnetic counterparts have remained elusive for many decades. This is resolved in altermagnets, whose recent discovery was driven by research in the field of spintronics towards highly scalable information technologies. Altermagnets feature d, g or i-wave magnetic ordering, with a characteristic alternation of spin polarization and spin-degenerate nodes. Here we review how altermagnetism can be identified from symmetries of collinear spin densities in crystal lattices, and can be realized at normal conditions in a broad family of insulating and conducting materials. We highlight salient electronic-structure signatures of the altermagnetic ordering, discuss extraordinary relativistic and topological phenomena that emerge in their band structures, and comment on strong-correlation effects. We then extend the discussion to non-collinear spin densities in crystals, including the prediction of p-wave magnets, and conclude with a brief summary of the reviewed physical properties of the nodal magnetically-ordered phases.

研究の動機と目的

• アルテル磁性をノーダルスピン偏極電子構造と総磁化なしという別個の対称クラスとして研究を動機づける。
• スピン対称性グループがコリニアル磁性を強磁性体、反強磁性体、およびアルテル磁性体に分類する方法を説明する。
• アルテル磁性秩序を可能にする材料実現の原理と顕著な帯構造特性を要約する。
• 相対論的スピン軌道結合、トポロジー、および強相関がアルテル磁性バンドに与える影響を論じる。
• 非共線スピン密度への拡張とp-wave磁性秩序の予測を議論する。

提案手法

• コリニアル磁性の三方スピン群対称分類を説明し、アルテル磁性体における非自明なスピンLaue群を強調する。
• 結晶中のスピン密度から生じる偶対称性l>0の磁気秩序（d, g, i波）が運動量空間の帯構造にどのように反映されるかを説明する。
• 対称性からアルテル磁性を同定し、通常条件下で絶縁体および導電体材料の実現可能性をまとめる。
• アルテル磁性バンド構造に対する相対論的スピン軌道結合の影響と可能なトポロジー現象を概説する。
• 材料予測と実験的検証を支える計算（DFT）および分光学的アプローチを論じる。

Figure 1: Altermagnets and ferromagnets. a, Nodal altermagnetic ordering in the crystal space (top) and in the momentum-space energy iso-surfaces/Fermi surfaces (bottom). The cartoons illustrate a d-wave ordering. Spin-degenerate nodes are highlighted by black lines in the 2D cartoons. Arrows and co

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コリニアルスピン系において、どの対称原理がアルテル磁性を強磁性体および反強磁性体と区別するのか？
• RQ2 d-, g-, i-波のアルテル磁性秩序は実材料でどのように現れ、帯構造の特徴はどのようになるのか？
• RQ3 スピン密度対称性と結晶ポテンシャルは、常温条件下でアルテル磁性相を実現するうえでどのような役割を果たすのか？
• RQ4 スピン軌道結合は非相対論的アルテル磁性の帯構造と新出現トポロジー現象にどのように影響するのか？
• RQ5 枠組みを非共線スピン密度へ拡張してp-wave磁性秩序を予測できるか？

主な発見

• アルテル磁性体はノーダルスピン偏極バンド構造と零磁化という特徴を持つ別個の対称クラスを形成する。
• ノーダルなアルテル磁性秩序は偶対称波スピン密度（d, g, i）を特徴とし、スピン縮退ノードおよび反対スピン等温面を有する。
• 相対論的スピン軌道結合はノーダル表面のスピン縮退を解消し、大きなスピン偏極度とベルリー曲率効果を生じさせ得る。
• 実験的な特徴には異常ホール効果とネルスト効果、左右非対称性（dichroism）測定、スピン分解ARPESによるスピンテクスチャとノーダル特徴の確認が含まれる。
• アルテル磁性秩序を hosting する材料候補は対称性解析（スピンLaue群）およびDFTによって特定され、MnTe、Mn5Si3、CrSb、RuO2、MnTe、FeSe、および MnTe 系統などで実現が報告されている。
• 非共線スピン密度への拡張はp-wave磁性を予測し、厳密な共線アルテル磁性秩序の枠組みを超えた可能性を広げる。

Figure 2: Nodal ordering in superfluids and magnets. Schematic comparison of the Cooper-pairing Fermi-liquid instabilities with p-wave and d-wave gap functions ( $\pm$ refers to the phase of the order parameter), their searched-for counterpart magnetic Pomeranchuk Fermi-liquid instabilities, and the