[論文レビュー] First-principles calculations of exchange interactions, spin waves, and temperature dependence of magnetization in inverse-Heusler-based spin gapless semiconductors

Adam Jakobsson, Phivos Mavropoulos+5 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2015

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算と凍結磁波法を用いて、逆ペルオキシド系スピンギャップレス半導体（SGS）における交換相互作用、スピン波の性質、および温度依存磁化を調査した。短距離交換相互作用が支配的であり、Curie温度（Tc）が高く（Mn₂CoAlでは最大1134 Kに達する）、計算値と実験値の磁化およびTcの一致が極めて良好であることが判明した。これにより、室温でのスピントロニクス応用への可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

Employing first principles electronic structure calculations in conjunction with the frozen-magnon method we calculate exchange interactions, spin-wave dispersion, and spin-wave stiffness constants in inverse-Heusler-based spin gapless semiconductor (SGS) compounds Mn$_2$CoAl, Ti$_2$MnAl, Cr$_2$ZnSi, Ti$_2$CoSi and Ti$_2$VAs. We find that their magnetic behavior is similar to the half-metallic ferromagnetic full-Heusler alloys, i.e., the intersublattice exchange interactions play an essential role in the formation of the magnetic ground state and in determining the Curie temperature, $T_\mathrm{c}$. All compounds, except Ti$_2$CoSi possess a ferrimagnetic ground state. Due to the finite energy gap in one spin channel, the exchange interactions decay sharply with the distance, and hence magnetism of these SGSs can be described considering only nearest and next-nearest neighbor exchange interactions. The calculated spin-wave dispersion curves are typical for ferrimagnets and ferromagnets. The spin-wave stiffness constants turn out to be larger than those of the elementary 3$d$-ferromagnets. Calculated exchange parameters are used as input to determine the temperature dependence of the magnetization and $T_\mathrm{c}$ of the SGSs. We find that the $T_\mathrm{c}$ of all compounds is much above the room temperature. The calculated magnetization curve for Mn$_2$CoAl as well as the Curie temperature are in very good agreement with available experimental data. The present study is expected to pave the way for a deeper understanding of the magnetic properties of the inverse-Heusler-based SGSs and enhance the interest in these materials for application in spintronic and magnetoelectronic devices.

研究の動機と目的

• 逆ペルオキシド系スピンギャップレス半導体（SGS）における磁性の起源と交換相互作用を理解すること。SGSは片方のスピンチャネルに近似ゼロギャップを示す。
• 異なるサブラティス内の交換相互作用が磁性基底状態の安定化およびCurie温度（Tc）の設定に果たす役割を特定すること。
• 計算された交換パラメータを用いて、磁化の温度依存性を評価し、Tcを予測すること。
• これらのSGSが、その磁性的および電子的性質に基づいて、室温でのスピントロニクス応用に適している可能性を評価すること。
• 理論的予測を、特にMn₂CoAlについての実験データと比較し、計算手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）に基づく第一原理電子状態計算を用いて、5種のSGS化合物の電子的および磁性的性質を計算した。
• 磁性原子間の交換相互作用パラメータを正確に決定するために、凍結磁波法を適用した。
• 計算された交換パラメータを、平均場近似（MFA）およびモンテカルロシミュレーションの入力として用い、磁化の温度依存性を計算した。
• 凍結磁波法により得られたスピン波分散関係から、スピン波剛性定数を抽出した。
• 距離に伴う交換相互作用の減衰を分析し、近接原子対および第二近隣原子対の寄与の重要性を評価した。
• 理論的Tc値を、バルクおよび薄膜試料からの実験データと比較して、予測の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 逆ペルオキシド系SGSにおける交換相互作用の性質と範囲は何か？どの原子対が磁性結合を支配しているか？
• RQ2 これらのSGSにおけるスピン波分散および剛性定数は、従来の3d強磁性体と比べてどのように異なるか？
• RQ3 各SGS化合物の予測Curie温度（Tc）は何か？実験測定値と比較するとどうなるか？
• RQ4 短距離相互作用が支配的であるにもかかわらず、Tcが局所磁化モーメントの合計と線形相関を示さないのはなぜか？
• RQ5 計算された磁化曲線およびTc値は、実験データ（特にMn₂CoAlについて）とどの程度一致するか？

主な発見

• Ti₂CoSiを除く、すべての調査対象の逆ペルオキシド系SGSは、強い異位相間交換相互作用が支配するフェリ磁性基底状態を示した。
• 片方のスピンチャネルに有限のギャップがあるため、交換相互作用は距離とともに急激に減衰し、近接および第二近隣原子対の寄与のみで正確にモデル化可能である。
• スピン波剛性定数は、基本的な3d強磁性体と比較して顕著に高く、強い磁気異方性および頑健なスピン波モードを示している。
• 全化合物のCurie温度（Tc）は室温をはるかに上回り、Mn₂CoAlではMFAで1134 K、モンテカルロ法で770 Kと予測された。実験値720 Kと良好に一致した。
• Mn₂CoAlの計算磁化曲線は、実験データと非常によく一致し、理論的枠組みの妥当性と予測力が裏付けられた。
• 局所磁化モーメントの合計が低いにもかかわらず、Cr₂ZnSiはMFAで1134 Kの予測Tcを示し、短距離交換相互作用および波動関数の重なりが、Tcに与える影響がモーメントの大きさよりも重要であることを示唆している。