[論文レビュー] Dzyaloshinskii-Moriya interaction in absence of spin-orbit coupling

Ramon Cardias, Anders Bergman+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スピン軌道結合に依存するのではなく、非相対論的で非共線的なスピン構造からもDzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用が生じ得ることを示している。第一原理電子構造理論を用いて、Mn₃Snにおいて非共線性が顕著なスピン電流およびスピン密度寄与を引き起こし、相対論的SOC効果を上回ることを示し、物質の弱いフェロ磁性およびトポロジカル輸送特性を説明している。

ABSTRACT

In contrast to conventional assumptions, we show that the Dzyaloshinskii-Moriya interaction can be of non-relativistic origin, in particular in materials with a non-collinear magnetic configuration, where non-relativistic contributions can dominate over spin-orbit effects. The weak antiferromagnetic phase of Mn$_{3}$Sn is used to illustrate these findings. Using electronic structure theory as a conceptual platform, all relevant exchange interactions are derived for a general, non-collinear magnetic state. It is demonstrated that non-collinearity influences all three types of exchange interaction and that physically distinct mechanisms, which connect to electron- and spin-density and currents, may be used as a general way to analyze and understand magnetic interactions of the solid state.

研究の動機と目的

• Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用がその起源においてスピン軌道結合（SOC）を必要とするという従来の見解に挑戦すること。
• 非共線的磁気秩序が非相対論的メカニズムを通じてDMに類似した相互作用を生成する役割を調査すること。
• 電荷電流、スピン電流、電荷密度、スピン密度の寄与を交換相互作用から分離すること。
• 非共線的で非相対論的な枠組みを用いて、Mn₃Snにおける弱いフェロ磁性および大きな異常ホール効果を説明すること。

提案手法

• 非共線的磁気状態に一般化されたLiechtenstein-Katsnelson-Antropov-Gubanovアプローチに基づく第一原理電子構造理論を採用した。
• 線形応答理論を用いてスピン依存交換テンソルからすべての双一次交換相互作用（ヘイゼンベルグ、DM、非対称対称）を導出した。
• 有効交換相互作用を4つの物理的に異なる寄与に分解した：電荷電流（CC）、スピン電流（SC）、電荷密度（CD）、スピン密度（SD）項。
• ELKコードを用いて、SOC効果を摂動的処理により含めた全エネルギー差分および磁気異方性を計算した。
• モデルMn₃Sn単位胞における磁気ねじれ角θの関数として、交換パラメータ（J、D、A）の角度依存性を分析した。
• 非共線系におけるスピン軌道的効果の相対論的および非相対論的寄与を分離するための一般化された枠組みを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合が存在しない非相対論的で非共線的なスピン構造から、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用が生じ得るか？
• RQ2 電荷電流、スピン電流、電荷密度、スピン密度のメカニズムが、非共線磁性体におけるDM相互作用に及ぼす相対的寄与は何か？
• RQ3 非共線性は、Mn₃Snにおける交換相互作用の強さおよび角度依存性にどのように影響するか？
• RQ4 異常ホール効果やスピンホール効果などの現象において、非共線スピン構造がスピン軌道結合効果を模倣または上回る程度はどの程度か？
• RQ5 Mn₃Snにおける弱いフェロ磁性は、従来のSOC駆動メカニズムではなく、非相対論的メカニズムによって説明可能か？

主な発見

• Mn₃SnにおけるDzyaloshinskii-Moriya相互作用は、主に非共線スピン構造に起因する非相対論的起源を持ち、特にスピン電流およびスピン密度寄与によって支配されている。
• スピン電流（SC）およびスピン密度（SD）項は強い角度依存性を示し、非共線配置でのみ非ゼロとなり、共線極限では消える。
• 電荷電流（CC）項は平面内状態では無視できるほど小さく、これは主にSOCに起因する効果であることを確認した。一方、非共線性が非相対論的寄与の主因を担っている。
• Mn₃Snにおいて非共線スピン構造は顕著なDM相互作用を生成し、標準的な対称性的議論ではネットトルクを許さないにもかかわらず、観測された弱いフェロ磁性を説明している。
• 非共線性に起因する磁気異方性は約3 μeVと計算され、実験的観察と整合的であり、SOCに起因する異方性と同程度の大きさである。
• 非共線性はスピン電流およびスピン軌道的効果を生成し、スピンホール効果やスピン緩和メカニズムなどのスピントロニクス現象において、従来のSOC効果を上回る支配的寄与を示している。