[論文レビュー] Chiral magnons in altermagnetic RuO2

Libor Šmejkal, Alberto Marmodoro+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2022

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、密度汎関数理論計算を用いて、反代数的磁性体RuO₂において、交互に chirality 分離を示すキラルな磁励振子が存在することを示している。従来の反強磁性体とは異なり、酸素原子による空間反転対称性の破れにより、キラル性のデゲネラシーが破れ、抑制されたLandau減衰を示す線形分散、THz周波数のキラル磁励振子が実現される。これは、超高速でエネルギー効率の良い磁励振子スピントロニクスに最適である。

ABSTRACT

Magnons in ferromagnets have one chirality, and typically are in the GHz range and have a quadratic dispersion near the zero wavevector. In contrast, magnons in antiferromagnets are commonly considered to have bands with both chiralities that are degenerate across the entire Brillouin zone, and to be in the THz range and to have a linear dispersion near the center of the Brillouin zone. Here we theoretically demonstrate a new class of magnons on a prototypical $d$-wave altermagnet RuO$_2$ with the compensated antiparallel magnetic order in the ground state. Based on density-functional-theory calculations we observe that the THz-range magnon bands in RuO$_2$ have an alternating chirality splitting, similar to the alternating spin splitting of the electronic bands, and a linear magnon dispersion near the zero wavevector. We also show that, overall, the Landau damping of this metallic altermagnet is suppressed due to the spin-split electronic structure, as compared to an artificial antiferromagnetic phase of the same RuO$_2$ crystal with spin-degenerate electronic bands and chirality-degenerate magnon bands.

研究の動機と目的

• 補償された反平行磁気秩序を示す材料としての反代数的磁性体RuO₂における磁気励起状態スペクトルを調査すること。
• 反強磁性体とは異なり、反代数的磁性体における磁励振子バンドがキラル性デゲネラシーを破るかどうかを特定すること。
• スピン分離電子構造が、反代数的磁性体と人工的反強磁性相においてLandau減衰に与える影響を分析すること。
• 反代数的磁励振子が、超高速かつ低損失な磁励振子スピントロニクス応用にどのように寄与できるかを検討すること。
• 電子バンド構造の対称性の破れと、RuO₂における磁励振子キラル性分離との関連を確立すること。

提案手法

• RuO₂の基底状態である反代数的磁性相における電子的・磁気的構造を計算するために、密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• スピン依存電子構造をヘイゼンベルグハミルトニアンにマッピングし、磁励振子分散計算に用いる有効交換結合定数 $J_{ij}$ を導出する。
• スピン群形式を用いて、対称性保護されたデゲネラシーと、非磁性酸素原子がサブラティス間の空間反転対称性および並進対称性を破る役割を分析する。
• DFTから得られた交換結合定数に基づくスピン波理論を用い、ブリユアンゾーン全域における磁励振子分散およびキラル性分離を計算する。
• スティーナー単粒子スピン反転遷移を用いてLandau減衰を評価し、反代数的磁性体相と人工的反強磁性体相を比較する。
• ブリユアンゾーン内の高対称経路に沿って減衰強度を正規化し、比較することで、反代数的相における減衰抑制を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間反転対称性の破れにより、反代数的RuO₂にキラル性が交互に分離する磁励振子が生じるか？
• RQ2 反代数的RuO₂における磁励振子分散は、従来の強磁性体および反強磁性体と比べてどのように異なるか？
• RQ3 電子バンドがデゲネラシーを示す人工的反強磁性体相と比較して、反代数的RuO₂におけるLandau減衰はどの程度抑制されるか？
• RQ4 非磁性酸素原子が、反対のキラル性を持つ磁励振子バンドのデゲネラシーをどのように解除するか？
• RQ5 線形分散およびキラル性を有する反代数的磁励振子が、安定で狭い波パケットを形成でき、超高速情報処理を可能にするか？

主な発見

• 反代数的RuO₂は、ブリユアンゾーン全域にわたり、電子バンドのスピン分離と類似した、交互に発生するキラル性分離を示す磁励振子バンドを有する。
• Γ点付近の磁励振子分散は、従来の反強磁性体と同様に線形であり、THz周波数の励起を可能にする。
• 電子バンドがデゲネラシーを示す人工的反強磁性体相と比較して、反代数的相ではLandau減衰が顕著に抑制されている。
• 減衰の抑制は、スピン分離電子構造に起因し、減衰を駆動するスティーナースピン反転遷移の状態空間が小さくなるためである。
• 反代数的相における磁励振子バンドは、従来の反強磁性体と異なり、非デゲネラシーなキラル性を示す。
• ブリユアンゾーン全域にわたる部分的なスピン分離のため、反強磁性体（デゲネラシーあり）と強磁性体（強く抑制）の中間的な減衰挙動を示す。