[論文レビュー] Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2

Xiaodong Zhou, Wanxiang Feng+5 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

その論文は、アルテル磁性体 RuO2 における大きな結晶のネルンスト効果と結晶熱ホール効果を示しており、ベリー曲率は Weyl 点、疑似ノーダル表面、およびはしご遷移から生じ、強いネールベクトル依存性の異方性と拡張されたウィーデマン-フランツ則を伴う。

ABSTRACT

We demonstrate the emergence of a pronounced thermal transport in the recently discovered class of magnetic materials-altermagnets. From symmetry arguments and first-principles calculations performed for the showcase altermagnet, RuO2, we uncover that crystal Nernst and crystal thermal Hall effects in this material are very large and strongly anisotropic with respect to the Neel vector. We find the large crystal thermal transport to originate from three sources of Berry's curvature in momentum space: the Weyl fermions due to crossings between well-separated bands, the strong spin-flip pseudonodal surfaces, and the weak spin-flip ladder transitions, defined by transitions among very weakly spin-split states of similar dispersion crossing the Fermi surface. Moreover, we reveal that the anomalous thermal and electrical transport coefficients in RuO2 are linked by an extended Wiedemann-Franz law in a temperature range much wider than expected for conventional magnets. Our results suggest that altermagnets may assume a leading role in realizing concepts in spin caloritronics not achievable with ferromagnets or antiferromagnets.

研究の動機と目的

• アルテル磁性体における結晶（従来のものではなく）熱輸送の研究を動機づける。
• RuO2 における異常熱輸送を駆動するベリー曲率源を同定・分類する。
• ネールベクトルの向きに依存する結晶ネルンスト効果と結晶熱ホール効果を定量化する。
• 拡張されたウィーデマン-Franz 枠組みを介して異常な電気輸送と熱輸送の関係を探る。
• 室温アルテル磁性体におけるスピン・カリオトロニクス応用の可能性を評価する。

提案手法

• RuO2 における許容される結晶熱輸送を決定するための対称性分析を行う。
• ネールベクトルの向きに応じた固有の異常ホール、ネルンスト、熱ホール伝導率を得るための第一原理計算を実施する。
• Rij(n)積分と零温度の AHC を入力として輸送係数を計算し、有限温度には Sommerfeld 展開を適用する。
• ベリー曲率の寄与を Weyl-fermion、疑似ノーダル表面、ラダー遷移のメカニズムに分解する。
• スピン保存（↑↑, ↓↓）およびスピン反転（↑↓）の寄与と、それらのドーピングおよびエネルギー依存性を分析する。
• 異常なウィーデマン-フランツ関係の温度依存性と有効域を検討する。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RuO2 のようなアルテル磁性体において結晶ネルンスト効果と結晶熱ホール効果は生じるか。
• RQ2 RuO2 における結晶熱輸送に寄与する支配的なベリー曲率源は何か。
• RQ3 ネールベクトルの向きは異常輸送係数の大きさと対称性にどう影響するか。
• RQ4 異常ローレンツ比は温度とフェルミエネルギーとともにどう振る舞い、ウィーデマン-フランツ法則は本系で拡張されるか。
• RQ5 エネルギーと温度領域にわたって、スピン保存寄与とスピン反転寄与はどのように比較されるか。

主な発見

• ほとんどのネールベクトル方向で3つの結晶輸送係数（σ、α、κ）は非ゼロであり、特定の対称性が打ち消しを引き起こす。
• 対称関係により zx 成分と yz 成分はほぼ同一である。
• 輸送係数はネールベクトルの方向に対して強く異方的である。
• 大きな輸送を生む3つのベリー曲率源: バンド交差からの Weyl フェルミオン、スピン反対の疑似ノーダル表面、弱くスピン分裂し、類似分散を示すバンド間のラダー遷移。
• スピン保存寄与とスピン反転寄与はドーピング/エネルギー条件によって支配的となり得て、スピン反転過程はRuO2で著しく重要であり、MnTeでも観測される。
• 異常ローレンツ比 L は特定のエネルギー近傍で広い温度範囲（0–150 K）において Sommerfeld 値 L0 に近づき、トポロジー的特徴と Weyl ノーダル物理に結びつく固有の機構を示している。