[論文レビュー] Hidden altermagnetism

San-Dong Guo|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2024

Geomagnetism and Paleomagnetism StudiesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、$PT$ 対称性をもつ反強磁性バイレイヤー系において、全体のスピン極化がゼロであるにもかかわらず、個々の反転対称パートナー領域に局所的なアルターマグネティックスピンスプリングが現れる、新たな状態「隠れたアルターマグネティズム」を提案する。$\mathrm{Cr_2SO}$ における第一原理計算により、外部電場がデゲネラシーを解除し、運動量依存のスピンスプリングの検出を可能にすることが示された。これにより、隠れたスピン極化状態を有するスピントロニクス材料の新規な道筋が開かれる。

ABSTRACT

Hidden spin polarization (HSP) with zero net spin polarization in total but non-zero local spin polarization has been proposed in certain nonmagnetic centrosymmetric compounds, where the individual sectors forming the inversion partners are all inversion asymmetry. Here, we extend this idea to antiferromagnetic materials with $PT$ symmetry (the joint symmetry of space inversion symmetry ($P$) and time-reversal symmetry ($T$)), producing zero net spin polarization in total, but either of the two inversion-partner sectors possesses altermagnetism, giving rise to non-zero local spin polarization in the real space, dubbed "hidden altermagnetism". By first-principle calculations, we predict that $PT$-symmetric bilayer $\mathrm{Cr_2SO}$ can serve as a possible candidate showing altermagnetic HSP. By applying an external electric field to break the global $P$ symmetry, the hidden altermagnetism can be separated and observed experimentally. Our works extend the hidden physics, and will also advance the theoretical and experimental search for new type of spin-polarized materials.

研究の動機と目的

• $PT$ 対称性を有する反強磁性系へ、隠れたスピン極化（HSP）の概念を拡張すること。
• 反転対称性により全体の磁化がゼロであるにもかかわらず、局所的アルターマグネティズムが存在する材料を同定すること。
• 外部電場を用いた実験的検出法を提案すること。
• $\mathrm{Cr_2SO}$ という実際の物質系において、第一原理計算を用いて隠れたアルターマグネティズムの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 反転対称パートナー領域を有する $PT$ 対称性をもつ反強磁性体における局所的アルターマグネティックスピンスプリングとして、隠れたアルターマグネティズムを定義する理論的枠組みを構築する。
• $\mathrm{Cr_2SO}$ に対して、スピン軌道結合（SOC）を含む VASP を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施する。
• $z$ 方向に外部電場を印加し、グローバルな $P$ 対称性を破り、デゲネラシーを解除することでスピンスプリングの検出を可能にする。
• スピンスプリングは、$eEd$ を用いた解析的に推定する。ここで $e$ は電子電荷、$d$ は層間距離である。
• 磁気的相反性エネルギー（MAE）を計算し、磁化の簡単軸を評価する。
• 面内磁化と SOC の下で、$X$ と $Y$ の谷間のバンドスプリングを分析することで、谷極化を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $PT$ 対称性を有する反強磁性系で、スピン極化がゼロであるにもかかわらず、アルターマグネティックスピンスプリングが隠れた状態として存在できるか？
• RQ2 グローバルな反転対称性を有する系において、隠れたアルターマグネティズムをどのように実験的にアクセスできるか？
• RQ3 外部電場が、このような系における局所的アルターマグネティック秩序をどのように露わにするか？
• RQ4 提案された $\mathrm{Cr_2SO}$ バイレイヤーにおけるスピンスプリングの大きさと電場依存性は何か？
• RQ5 $\mathrm{Cr_2SO}$ の固有磁化が、スピン軌道結合を含む場合に谷極化を誘発できるか？

主な発見

• $\mathrm{Cr_2SO}$ バイレイヤーは、全体のスピン極化がゼロであるにもかかわらず、反転対称パートナー領域ごとに非ゼロの局所的スピン極化を示し、隠れたアルターマグネティズムを示す。
• 0.03 V/Å の外部電場が印加されると、約 203 meV のスピンスプリングが誘発され、$eEd$ を用いた解析的推定値（207 meV）とよく一致する。
• スピンスプリングは電場強度に比例して線形に増加し、外部制御によるチューナビリティが確認された。
• $\mathrm{Cr_2SO}$ の磁化方向は面内であり、負の磁気的相反性エネルギーを示し、面内容易軸であることが示された。
• スピン軌道結合を含むと、伝導帯で $X$ と $Y$ の谷間で 4.0 meV、価電子帯で 2.0 meV の谷スプリングが観測された。
• 電場の向きを反転させると、層の特性とスピンスプリングの順序が逆転し、隠れた状態の制御可能性が確認された。