[論文レビュー] Fermiology and transport properties of the half-metallic itinerant ferromagnet CoS$_2$: influence of spin orbit coupling

A. Piñeiro, Botana, A. S.+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2010

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 37被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、半金属的強磁性体CoS₂の電子構造および輸送特性を調査し、スピン軌道結合（SOC）がフェルミ準位に少数スピン状態を導入することで半金属性が低下することを示した。これにもかかわらず、SOCによる導電度の低下は数パーセントにとどまり、実験的負磁気抵抗と整合的であり、SOC効果にもかかわらず強いスピン偏極が維持されることを示している。

ABSTRACT

Electronic structure calculations were performed on the compound CoS$_2$, an itinerant ferromagnet whose magnetic properties can be understood in terms of spin fluctuation theory. We have identified nesting features in the Fermi surface of the compound, active for long wavelength spin fluctuations. The electronic structure of the material is close to a half-metal. We show the importance of introducing spin-orbit coupling (SOC) in the calculations, that partially destroys the half-metallicity of the material. By means of transport properties calculations, we have quantified the influence of SOC in the conductivity at room temperature, with an important decrease comparing to the GGA alone conductivity. SOC also helps to understand the negative 0 of the material, whose conductivity varies by a few percent with the introduction of small perturbations in the states around the Fermi level.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合（SOC）がCoS₂における半金属性の破壊に果たす役割を理解すること。
• フェルミ面のネスティングが、スピンフラクチュエーション駆動の拡散的強磁性体としての性質に与える影響を調査すること。
• 輸送計算を用いて、SOCが電気的導電度および磁気抵抗に与える影響を定量すること。
• 理論的予測と実験的負磁気抵抗観測結果の整合性をとること。
• GGAのみで正確な輸送記述が可能かどうかを評価し、SOCが現実的なモデル化に不可欠であるかどうかを検討すること。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）を用いた密度汎関数理論（DFT）計算を、wien2kコードを用いて実施した。
• 電子構造および半金属性への影響を評価するために、DFT計算にスピン軌道結合（SOC）を組み込んだ。
• ネスティングベクトルを用いてフェルミ面ネスティングの特徴を分析し、長波長スピンフラクチュエーションを同定した。
• ボルツマン輸送理論を用いてスピン分解導電度を計算し、スピン偏極およびSOC効果を評価した。
• 9 Tおよび0 Tの磁場下での抵抗率データから、磁気抵抗比 MR = 100(ρ₉ₜ − ρ₀ₜ)/ρ₀ₜ を計算した。
• GGAとGGA+SOCの結果を比較し、導電度の相対的変化を評価した（P_SOC = (σ_noSOC − σ_SOC)/(σ_noSOC + σ_SOC)）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合は、CoS₂の半金属的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 室温におけるCoS₂の電気的導電度に、SOCが及ぼす定量的影響は何か？
• RQ3 フェルミ面ネスティングの特徴は、この拡散的強磁性体におけるスピンフラクチュエーション機構とどのように関係するか？
• RQ4 完全なスピン偏極が得られていないにもかかわらず、なぜCoS₂は負磁気抵抗を示すのか？
• RQ5 GGAのみでCoS₂の輸送特性を正確に記述できるのか、それともGGA+SOCが不可欠であるのか、どの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• スピン軌道結合（SOC）は、フェルミ準位に非ゼロの少数スピン状態を導入することで、CoS₂の半金属性を部分的に破壊する。
• GGAのみで計算した導電度は、GGA+SOCで計算した値よりも高く、SOCの影響により約数パーセント低下している。
• 室温ではスピンアップ状態の導電度が全導電度の99.8%を占め、スピンダウン状態は0.2%にとどまるため、高いスピン偏極が示された。
• 計算されたP_SOCパラメータは、GGAのみがGGA+SOCよりも優れた導電性を予測することを示しており、SOCを含めることで抵抗率が増加することを確認した。
• 臨界温度Tc = 122 K未満の強磁性相では、−3%から−9%の負磁気抵抗が観測され、高いが完全でないスピン偏極と整合的である。
• 実験的磁気抵抗挙動は、強いスピン偏極と、わずかなSOC由来の少数状態の混合の両方の効果によって説明できる。