[論文レビュー] Designing Spin-driven Multiferroics in Altermagnets

Rongxing Cao, Ruizhi Dong+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2024

Multiferroics and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スピン-軌道結合に依存しないヘイゼンベルク型の交換ストリクション機構を通じて、アルターマグネティック体が強力なスピン駆動型多フェロ性を実現可能であると提唱する。第一原理的シミュレーションにより、LiMnO₂および歪みを加えたRuF₄が1.0 μC/cm²を超える自発分極を示し、従来の多フェロ性材料やスピン-軌道結合駆動型多フェロ性材料と比較して1〜2桁大きな磁気電気効果を示すことが明らかになった。

ABSTRACT

Spin-driven multiferroics exhibit strong magnetoelectric coupling, with notable polarization changes under a magnetic field, but these effects are usually limited to high-Z magnetic insulators with low electronic polarization. In this work, we introduce altermagnets as a promising platform for achieving strong magnetoelectric coupling in low-Z systems with substantial polarization. This large polarization arises from a design principle that utilizes the Heisenberg-like exchange striction mechanism, eliminating the reliance on spin-orbit coupling (SOC). This approach enables the Kramers-degenerate antiferromagnetic phase derived from altermagnetic insulators to achieve substantial polarization without spin splitting, providing a flexible platform for regulating spin-splitting phenomena. Through first-principles simulations and an effective Landau-Ginzburg Hamiltonian, we demonstrate that materials in the LiMnO2 family and strained RuF4 family can achieve polarization values exceeding 1.0 μC/cm2, an order of magnitude larger than those found in SOC-driven multiferroics. Moreover, their magnetoelectric coupling is one to two orders of magnitude stronger than that observed in conventional multiferroics and those driven by SOC.

研究の動機と目的

• スピン-軌道結合（SOC）に依存しない低原子番号（低Z）材料における強い磁気電気効果を実現する新しいプラットフォームの同定。
• 対称性に基づく設計原理を通じて、アルターマグネティック体がスピン駆動型多フェロ性の母体として有効であるかの探求。
• アルターマグネティック系におけるクライマー準縮退反強磁性相が、交換ストリクションによって大きな自発分極を有することが可能であることを示すこと。
• 従来の多フェロ性材料やSOC駆動型多フェロ性材料と比較して著しく強い磁気電気効果を達成すること。

提案手法

• 第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、アルターマグネティック材料の電子構造および分極を調査する。
• 相転移および多フェロ性秩序パラメータをモデル化するために、有効なランダウ＝ギンツブルグハミルトニアンを用いる。
• C₂||t対称性を持つ2×2スーパーセルにスピン構造を設計し、空間反転対称性が破れたクライマー準縮退反強磁性秩序を誘導する。
• 歪みおよび外部電場を適用して、アルターマグネティック相とクライマー準縮退多フェロ性相との間の転移を調整する。
• 磁気場の変化に対する分極の応答を計算することで、磁気電気効果定数を分析する。
• 低対称性および整合性のあるスピン秩序を示すため、LiMnO₂および歪みを加えたRuF₄をプロトタイプ系として焦点化する。

Figure 1: Atomic structure showing only the magnetic atoms, with the spin pattern in (a) representing the altermagnetic phase and in (b) representing the Kramers-degenerate AFM phase. (c) Spin pattern along the y-direction in (b) showing a Peierls-like phase transition. Phase diagrams for the Kramer

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン-軌道結合に依存せず、交換ストリクションによってアルターマグネティック体が大きな自発分極を支持できるか？
• RQ2 アルターマグネティック多フェロ性材料における磁気電気効果の大きさは、従来の多フェロ性材料やSOC駆動型系と比較してどの程度か？
• RQ3 歪みまたは電場が、アルターマグネティック相とクライマー準縮退多フェロ性相との間の転移を誘導できるか？
• RQ4 なぜ、MnO₂ や MnF₂ といった内在的アルターマグネティック体ではクライマー準縮退相がエネルギー的に不安定であるのか？
• RQ5 アルターマグネティック体における交換ストリクション機構は、分極および結合強度の観点で、ジャローシュキン＝モリスキー機構とどのように異なるか？

主な発見

• LiMnO₂および歪みを加えたRuF₄は、1.0 μC/cm²を超える自発分極を示し、SOC駆動型多フェロ性材料と比較して10倍以上大きい。
• これらの材料における磁気電気効果定数は、BiFeO₃ や他のSOC駆動型系と比較して1〜2桁大きな値を示す。
• 内在的MnF₂系におけるクライマー準縮退多フェロ性相は、基底状態のアルターマグネティック相よりもエネルギー的に高いため、0.25 μC/cm²の分極を示すが、安定ではない。
• 歪みまたは圧縮を最大15%まで適用しても、クライマー準縮退相が基底状態として安定化しないことから、電場による相転移がより効果的であることが示唆される。
• アルターマグネティック体における交換ストリクション機構は、SOCに依存しない強固な分極および強い磁気電気効果を実現するための道筋を提供する。
• アルターマグネティック相とクライマー準縮退多フェロ性相の間の相転移は電気的に制御可能であり、チューナブルな多フェロ性機能の実現が可能である。

Figure 2: (a) Band structure of the Kramers-degenerate AFM phase and (b) the altermagnetic phase. The green-highlighted plane in (b) indicates the spin-degenerate plane of the altermagnet. (c) Phase diagram of LiMnO 2 , showing the Kramers-degenerate AFM (K), altermagnetic (A), and ferromagnetic (F)