[論文レビュー] Emerging research landscape of altermagnetism

Libor Šmejkal, Jairo Sinova+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2022

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 45

ひとこと要約

この Perspective は compensated antiparallel order と momentum-space spin splitting を持つ第三の磁性相としての altermagnetism を紹介し、その対称性の基盤、材料候補、そして凝縮物理学全体への潜在的影響を概観する。

ABSTRACT

Magnetism is one of the largest, most fundamental, and technologically most relevant fields of condensed-matter physics. Traditionally, two basic magnetic phases have been considered -- ferromagnetism and antiferromagnetism. The breaking of the time-reversal symmetry and spin splitting of the electronic states by the magnetization in ferromagnets underpins a range of macroscopic responses in this extensively explored and exploited type of magnets. By comparison, antiferromagnets have vanishing net magnetization. This Perspective reflects on recent observations of materials hosting an intriguing ferromagnetic-antiferromagnetic dichotomy, in which spin-split spectra and macroscopic observables, akin to ferromagnets, are accompanied by antiparallel magnetic order with vanishing magnetization, typical of antiferromagnets. An unconventional non-relativistic symmetry-group formalism offers a resolution of this apparent contradiction by delimiting a third basic magnetic phase, dubbed altermagnetism. Our Perspective starts with an overview of the still emerging unique phenomenology of the phase, and of the wide array of altermagnetic material candidates. In the main part of the article, we illustrate how altermagnetism can enrich our understanding of overarching condensed-matter physics concepts, and have impact on prominent condensed-matter research areas.

研究の動機と目的

• altermagnetism の発現と現象論を、ferromagnetism および antiferromagnetism を超えた独立した磁性相として要約する。
• altermagnetism を定義し、スピン分裂帯の特徴を保護する非相対論的スピン群対称性の枠組みを概説する。
• altermagnetic spin splitting を支持する材料候補と ab initio 証拠を特定する。
• 主要な凝縮物性の概念（Kramers の定理、Berry 相、準粒子）への結びつき、および spintronics や超伝導などの研究分野への影響について論じる。

提案手法

• 非相対論的スピン群対称性を、相対論的磁気群の一般化として説明する。
• 回転によって結ばれた反対スピンのサブ格子変換が altermagnetic order を生み出す仕組みを説明する。
• 結晶構造および ab initio データにおいて altermagnet を認識する識別規則を提示する。
• 次元性と伝導タイプを跨いで、予測されたり同定された altermagnetic 材料を概観する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン分裂と対称性の観点から、altermagnetism は ferromagnetism および従来の antiferromagnetism とは何が異なるか？
• RQ2 非相対論的スピン群対称性は、総磁化ゼロを維持しつつ、運動量空間のスピン分裂をどのように保護するのか？
• RQ3 特徴的な材料候補と、それらの予測または観測されるスピン分裂の大きさはどうか？
• RQ4 altermagnetism は、広範な凝縮物理学の概念や spintronics、熱電などの応用分野へどのような影響を及ぼし得るか？

主な発見

• altermagnetism は compensation antiparallel order を持つ材料において、スピン分裂を伴い、時間反転対称性を破るバンド構造を示し、総磁化はゼロである。
• altermagnets におけるスピン分裂は運動量に強く依存し、Brillouinゾーンの一部で ferromagnet に匹敵する大きさに達することがある（例: RuO2 で約1 eV）。
• 非相対論的スピン群対称性は、altermagnetic 相を分類・記述する堅牢な枠組みを提供し、それを ferromagnet および従来の antiferromagnet とは区別する。
• スピンアップとスピンダウンのフェermi面セクターは異方性を持つが等しく populated で、特定の高対称性線や面に沿ってスピン縮退が保たれる。
• ab initio 計算は、altermagnetic スピン分裂が相対論的スピン軌道結合に強く依存せず、いくつかの材料で相関効果を超えて存続することを示している。
• 2D/3D、絶縁体から金属、さまざまな化学組成を含む多様な材料候補がアルターマグネティズムを hosting すると予測されており、RuO2, Mn5Si3, CrSb, MnTe, La2CuO4 などが挙げられる（Table 3）。