[논문 리뷰] Altermagnetic multiferroics and altermagnetoelectric effect

Libor Šmejkal|arXiv (Cornell University)|2024. 11. 29.

Multiferroics and related materials인용 수 14

한 줄 요약

해당 논문은 처음 원리 계산을 이용해 특정 강전기 물질에서 알터메트릭 스핀 편광을 보이고, 알터메트릭 극 스핀 그룹을 분류하며, 비상대론적 알터마그네테일 전기 결합 메커니즘을 제안한다.

ABSTRACT

Magnetoelectric multiferroics are highly sought after for applications in low-power electronics and for advancing fundamental research, including axion insulators and dark matter detection. However, achieving a combination of ferroic spin and electric orders, along with their controllable switching, remains a significant challenge in conventional ferromagnets and antiferromagnets. Here, we present first-principles evidence that time-reversal symmetry-breaking altermagnetic spin polarization with relatively high critical temperatures can emerge in ferroelectrics BaCuF$_4$ (T$_N$ $\sim$ 275K) and Ca$_3$Mn$_2$O$_7$ (T$_N$ $\sim$ 110K). Furthermore, we classify all possible altermagnetic polar spin groups, revealing altermagnetism in a collinear phase of BiFeO$_3$. We also propose an altermagnetoelectric effect, a nonrelativistic cross-coupling between altermagnetic spin polarization and ferroelectric polarization, mediated by a rotation of nonmagnetic polyhedra in the lattice structure. Our findings suggest an alternative pathway towards high-temperature magnetoelectric multiferroicity and the electric field control of altermagnetic order parameters.

연구 동기 및 목표

• 강전기 물질에서 비교적 높은 임계 온도에서 시간 반전 대칭성 파괴 알터메트릭 스핀 편극을 입증한다.
• BiFeO3의 경우를 포함하여 모든 가능한 알터메트릭 극 스핀 그룹을 분류한다.
• 알터마그네테일 효과를 알터메트릭 및 강전기 질서 간의 비상대론적 교차 결합 메커니즘으로 제안한다.
• 고온 자기전기 다강자성화 및 알터메트릭 순서 매개변수의 전기장 제어에 대한 시사점을 탐구한다.

제안 방법

• BaCuF4(T_N ~275 K) 및 Ca3Mn2O7(T_N ~110 K)에서 알터마그네틱 스핀 편극을 식별하기 위해 처음 원리 계산을 수행한다.
• 알터메트릭 극 스핀 그룹을 분류하고 BiFeO3의 축정 방향(collinear) 위상에서 알터마그네시즘을 식별한다.
• 비상대론적 비대칭이 아닌 교차 결합 메커니즘으로서의 알터마그네테이 전기 결합을 제시하고 비공역적으로 매개되는 기전을 기술한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알터마그네틱 스핀 편극이 실험적으로 관련 온도에서 강전기 물질에서 나타날 수 있는가?
• RQ2 어떤 결정학 그룹이 알터마그네틱 편극을 지지하며 BiFeO3에 알터마그네시즘이 존재하는가?
• RQ3 알터마그네틱 질서와 강전기 질서를 연결하는 실현 가능한 알터마그네테일 결합 메커니즘이 있는가?
• RQ4 고온 자기전기 다강자성화 및 알터메트릭 순서의 전기장 제어를 위한 함의는 무엇인가?

주요 결과

• BaCuF4(T_N ~275 K) 및 Ca3Mn2O7(T_N ~110 K)에서 시간 반전 대칭 파괴 알터메트릭 스핀 편극의 첫 원리 증거를 제시한다.
• 알터메트릭 극 스핀 그룹의 분류와 BiFeO3의 축정(collinear) 위상에서 알터마그네시즘이 식별된다.
• 알터마그네틱 및 강전기 질서 간의 비상대론적 교차 결합으로서의 알터마그네테일 효과를 도입한다.
• 결합이 비자성 결정 다면체의 회전을 매개로 하는 기전을 제안한다.