[論文レビュー] Enhanced anomalous Nernst effects in ferromagnetic materials driven by Weyl nodes

Ilias Samathrakis, Teng Long+3 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 73被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、266種の遷移金属化合物を対象とした高スループット第一原理計算を用いて、フェルミ準位付近のウェイルノードおよびノードラインが、強磁性体における増幅された異常ネルンスト効果を主に駆動していることを特定した。92%の成功率で自動化されたワニエ関数の構築を活用し、外部からのストレインおよび磁場によるチューニングが、異常ネルンスト電導度を顕著に増幅できることを示した。その結果、16化合物が3 A/(m·K)を超えた。

ABSTRACT

Based on high-throughput first-principles calculations, we evaluated the anomalous Hall and anomalous Nernst conductivities of 266 transition-metal-based ferromagnetic compounds. Detailed analysis based on the symmetries and Berry curvatures reveals that the origin of singular-like behaviour of anomalous Hall/Nernst conductivities can be mostly attributed to the appearance of Weyl nodes or nodal lines located in the proximity of the Fermi energy, which can be further tailored by external stimuli such as biaxial strains and magnetic fields. Moreover, such calculations are enabled by the automated construction of Wannier functions with a success rate of 92%, which paves the way to perform accurate high-throughput evaluation of the physical properties such as the transport properties using the Wannier interpolation

研究の動機と目的

• 強磁性体における増幅された異常ネルンスト電導度（ANC）の電子的起源を特定すること。
• ウェイルノードやノードラインといったトポロジカル特徴がANCをどのように増幅するかを調査すること。
• ワニエ補間を用いた輸送性質の計算に向けた自動化された高スループットワークフローの開発および検証すること。
• バイアキシャルストレインや磁場といった外部刺激によるANCのチューニング可能性を調査すること。
• 室温で高いANCを示す熱電応用に有望な候補を同定すること。

提案手法

• VASPを用いてGGA-PBEおよびスピン軌道結合を含む335種の強磁性金属間化合物に対して高スループットDFT計算を実施した。
• Wannier90および自作のPythonスクリプトを用いて、92%の成功率で最大局在ワニエ関数（MLWFs）の自動構築を実現した。
• Wanniertoolsを用いてブリユアンゾーン全体にわたるベリー曲率の積分により、異常ホール電導度（AHC）を計算した。
• 化学ポテンシャルに関するAHCの微分をエネルギーに応じて統合することで、異常ネルンスト電導度（ANC）を評価した。
• 磁気ラウエ群4/mm'm'における対称性解析およびベリー曲率変換を用いて、トポロジカル特徴を同定した。
• ワニエ補間を用いることで、大規模な化合物ライブラリにおける輸送性質の効率的かつ高精度な評価を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強磁性体における増幅された異常ネルンスト電導度の支配的電子的起源は何か？
• RQ2 フェルミ準位付近に位置するウェイルノードおよびノードラインは、異常ネルンスト効果にどのように寄与するか？
• RQ3 バイアキシャルストレインや磁場といった外部刺激によって、異常ネルンスト電導度はどの程度チューニング可能か？
• RQ4 自動化されたワニエ関数の構築は、複雑な磁性材料における輸送性質の信頼性ある高スループット評価を可能にするか？
• RQ5 どの強磁性化合物が3 A/(m·K)を超えるANCを示し、熱電応用に有望であるか？

主な発見

• BCo4Yでは異常ネルンスト電導度（ANC）が最大5.83 A/(m·K)に達し、16化合物が3 A/(m·K)を超えており、熱電応用への強い可能性を示した。
• 観察された最大の異常ホール電導度（AHC）はCrPt3で2040 S/cmであり、Rh2MnGaの-1862 S/cmという既知の報告値を上回った。
• フェルミ準位付近に位置するウェイルノードおよびノードラインが、AHCにおける特異的挙動および増幅されたANCの主な要因であると特定された。
• バイアキシャルストレインおよび磁場による外部チューニングにより、AHCおよびANCを効果的に制御でき、輸送応答の動的制御が可能であることが示された。
• 自動化されたワニエ関数構築は266化合物の全範囲で92%の成功率を達成し、トポロジカル輸送性質のスケーラブルで高精度な高スループット評価を可能にした。
• 文献値との良好な一致が確認された：Co3Sn2S2では988 S/cm（報告値1130 S/cm）、Co2VGaでは140 S/cm（報告値137 S/cm）であり、計算ワークフローの妥当性が裏付けられた。