[논문 리뷰] Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2

Xiaodong Zhou, Wanxiang Feng외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 02.

Topological Materials and Phenomena인용 수 12

한 줄 요약

본 논문은 알테르마그넷 RuO2에서 Weyl 점, 의사-결절 면, 그리고 ladder 전이에서 기인한 Berry 커류에 의해 구동되는 큰 결정 Nernst 효과와 결정 열 홀 효과를 보이며, 강한 Néel 벡터 의존 이방성과 확장된 Wiedemann-Franz 관계를 제시한다.

ABSTRACT

We demonstrate the emergence of a pronounced thermal transport in the recently discovered class of magnetic materials-altermagnets. From symmetry arguments and first-principles calculations performed for the showcase altermagnet, RuO2, we uncover that crystal Nernst and crystal thermal Hall effects in this material are very large and strongly anisotropic with respect to the Neel vector. We find the large crystal thermal transport to originate from three sources of Berry's curvature in momentum space: the Weyl fermions due to crossings between well-separated bands, the strong spin-flip pseudonodal surfaces, and the weak spin-flip ladder transitions, defined by transitions among very weakly spin-split states of similar dispersion crossing the Fermi surface. Moreover, we reveal that the anomalous thermal and electrical transport coefficients in RuO2 are linked by an extended Wiedemann-Franz law in a temperature range much wider than expected for conventional magnets. Our results suggest that altermagnets may assume a leading role in realizing concepts in spin caloritronics not achievable with ferromagnets or antiferromagnets.

연구 동기 및 목표

• 알테마agnet에서 (전통적인) 결정성 열전달 연구를 동기화한다.
• RuO2에서 이상 열전달을 이끄는 Berry 커류 원천을 식별하고 분류한다.
• 결정 Nernst 및 결정 열 홀 효과를 정량화하고 Néel 벡터 방향에 따른 의존성을 파악한다.
• 이상 전기적 및 열전달 간의 관계를 확장된 Wiedemann-Franz 프레임워크를 통해 조사한다.
• 실온 알테마그넷에서 스핀-칼로리노트릭 응용 가능성을 평가한다.

제안 방법

• RuO2에서 허용된 결정 열전달을 판단하기 위한 대칭성 분석을 수행한다.
• Néel 벡터 방향에 따라 고유의 이상 홀, Nernst 및 열 홀 전도도를 얻기 위해 최초 원리 계산을 수행한다.
• Rij(n) 적분과 영온도 AHC를 입력으로 사용하여 전도 계수를 계산한 다음, 유한 온도에 대해 Sommerfeld 전개를 적용한다.
• Berry 커류 기여를 Weyl-fermion, 의사-결절 면, ladder 전이 메커니즘으로 분해한다.
• 스핀-보존(↑↑, ↓↓) 및 스핀-플립(↑↓) 기여와 도핑 및 에너지 의존성을 분석한다.
• 비정상 Wiedemann-Franz 관계의 온도 의존성과 타당성 범위를 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알테마agnet인 RuO2에서도 결정 Nernst 및 결정 열 홀 효과가 나타나는가?
• RQ2 RuO2의 결정 열 전도에 기여하는 지배적인 Berry 커류 원천은 무엇인가?
• RQ3 네일 벡터의 방향이 이상 전기적 및 열적 전도계수의 크기와 대칭성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이상 Lorenz 비가 온도 및 페르미 에너지에 따라 어떻게 동작하며 이 시스템에서 Wiedemann-Franz 법칙이 확장되는가?
• RQ5 에너지 및 온도 범위에 따라 스핀-보존과 스핀-플립 기여가 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 세 가지 결정성 수송 계수(σ, α, κ)는 대부분의 Néel 벡터 방향에서 0이 아니며, 특정 대칭성으로 인해 상쇄가 발생한다.
• zx 및 yz 성분은 대칭 관계로 인해 거의 동일하다.
• Néel 벡터 방향에 따라 수송 계수의 이방성이 크게 나타난다.
• 세 가지 Berry 커류 원천이 큰 수송을 유도한다: 밴드 교차로부터의 Weyl 페르미온, 스핀 반대 의사-결절 면, 그리고 약하게 스핀분리된 유사한 분산 대역 간의 ladder 전이.
• 스핀-보존 및 스핀-플립 기여는 도핑/에너지 조건에 따라 우세할 수 있으며, RuO2에서 스핀-플립 과정은 특히 크게 나타나 MnTe에서도 관찰된다.
• 특정 에너지 근처에서 0–150 K의 넓은 온도 범위에서 이상 Lorenz 비 L이 Sommerfeld 값 L0에 접근하여 위상적 특징과 Weyl 노달 물리와 연계된 고유 기전을 시사한다.