[논문 리뷰] Chiral magnons in altermagnetic RuO2

Libor Šmejkal, Alberto Marmodoro외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 24.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론 계산을 통해 알터마그네틱 물질인 RuO₂에서 교대 극성 분할을 보이는 체계적 멕시온을 입증한다. 전통적인 반자성체와 달리, 산소 원자가 유도하는 반전 대칭의 붕괴로 인해 멕시온 밴드의 체계성 비퇴도가 깨지며, 이로 인해 억제된 랑두 감쇠를 보이는 선형 분산, THz 주파수의 체계적 멕시온이 가능해지며, 이는 초고속·에너지 효율적인 멕시온 스피너트로닉스에 이상적이다.

ABSTRACT

Magnons in ferromagnets have one chirality, and typically are in the GHz range and have a quadratic dispersion near the zero wavevector. In contrast, magnons in antiferromagnets are commonly considered to have bands with both chiralities that are degenerate across the entire Brillouin zone, and to be in the THz range and to have a linear dispersion near the center of the Brillouin zone. Here we theoretically demonstrate a new class of magnons on a prototypical $d$-wave altermagnet RuO$_2$ with the compensated antiparallel magnetic order in the ground state. Based on density-functional-theory calculations we observe that the THz-range magnon bands in RuO$_2$ have an alternating chirality splitting, similar to the alternating spin splitting of the electronic bands, and a linear magnon dispersion near the zero wavevector. We also show that, overall, the Landau damping of this metallic altermagnet is suppressed due to the spin-split electronic structure, as compared to an artificial antiferromagnetic phase of the same RuO$_2$ crystal with spin-degenerate electronic bands and chirality-degenerate magnon bands.

연구 동기 및 목표

• 보상된 반대칭 자기 구조를 가진 물질인 알터마그네틱 RuO₂의 자기 진동 스펙트럼을 조사하기 위해.
• 기존의 반자성체와 달리 알터마그네틱체에서 멕시온 밴드가 체계성 비퇴도를 어떻게 깨는지 규명하기 위해.
• 스핀 분리 전자 구조가 알터마그네틱체와 인공 반자성체 상태 간 랑두 감쇠에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 알터마그네틱 멕시온이 초고속·저손실 멕시온 스피너트로닉스 응용에 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 전자 밴드 구조의 대칭성 붕괴와 RuO₂에서 멕시온 체계성 분할 간의 연관성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 기본 상태인 알터마그네틱 상에서 RuO₂의 전자 및 자기 구조를 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 스핀 의존 전자 구조를 헤이젠베르크 하미르토니안에 매핑하여 멕시온 분산 계산을 위한 효과적 스핀 교환 상호작용 계수 $J_{ij}$ 를 유도하였다.
• 스핀 군 형식을 사용하여 대칭 보호된 비퇴도와 비자기 산소 원자가 하위격자 간의 반전 대칭성과 이동 대칭성을 깨는 역할을 분석하였다.
• DFT에서 유도된 교환 상호작용을 기반으로 한 스핀파 이론을 사용하여 브릴루앙 영역 전반에 걸쳐 멕시온 분산과 체계성 분할을 계산하였다.
• 스톤어 단일 입자 스핀 반전 전이를 통해 랑두 감쇠를 평가하였으며, 알터마그네틱 상과 인공 반자성체 상을 비교하였다.
• 브릴루앙 영역의 고대칭 경로를 따라 감쇠 강도를 정규화하고 비교하여 알터마그네틱 상에서 감쇠 억제 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반전 대칭의 붕괴로 인해 알터마그네틱 RuO₂에서 교대 극성 분할을 보이는 체계적 멕시온이 발생할 수 있는가?
• RQ2 알터마그네틱 RuO₂의 멕시온 분산은 전통적인 페라이오자성체 및 반자성체와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 전자 밴드가 비퇴도인 인공 반자성체 상과 비교할 때, 알터마그네틱 RuO₂에서 랑두 감쇠는 어느 정도 억제되는가?
• RQ4 비자기 산소 원자가 반대 극성 멕시온 밴드의 비퇴도를 해소하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 선형 분산성과 체계성 특성을 지닌 알터마그네틱 멕시온이 안정적이고 좁은 웨이브 펄스를 지속할 수 있으며, 이는 초고속 정보 처리를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 알터마그네틱 RuO₂는 브릴루앙 영역 전반에 걸쳐 교대 극성 분할을 보이는 멕시온 밴드를 나타내며, 이는 전자 밴드의 스핀 분리와 유사하다.
• Γ 점 근처의 멕시온 분산은 전통적인 반자성체와 유사하게 선형이며, 이는 THz 주파수의 진동을 가능하게 한다.
• 전자 밴드가 비퇴도인 인공 반자성체 상과 비교할 때 알터마그네틱 상에서 랑두 감쇠가 현저히 억제된다.
• 감쇠의 억제는 스핀 분리 전자 구조로 인해 스핀 반전 전이의 위상 공간이 감소하기 때문이며, 이는 감쇠를 유도하는 원인이 된다.
• 알터마그네틱 상의 멕시온 밴드는 기존의 반자성체에서 관찰되는 반대 극성 밴드의 비퇴도와는 달리 비퇴도된 체계성을 보인다.
• 브릴루앙 영역 전반에 걸쳐 부분적인 스핀 분리가 발생함에 따라, 이 시스템은 페라이오자성체(강하게 억제됨)와 반자성체(비퇴도) 사이라는 중간 감쇠 행동을 나타낸다.