[논문 리뷰] Dzyaloshinskii-Moriya interaction in absence of spin-orbit coupling

Ramon Cardias, Anders Bergman외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 10.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 상대론적 효과나 스핀-오비트 결합이 아닌 비결합적 비결합 스핀 구조에서 Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 상호작용이 유도될 수 있음을 보여준다. 일급 전자 구조 이론을 사용하여 Mn₃Sn에서 비결합적 성질이 중요한 스핀 전류 및 스핀 밀도 기여를 유도함으로써 상대론적 스핀-오비트 결합(SOC) 효과를 초월하는 영향을 미친다. 이는 물질의 약한 강자성 및 위상적 전도성 특성을 설명한다.

ABSTRACT

In contrast to conventional assumptions, we show that the Dzyaloshinskii-Moriya interaction can be of non-relativistic origin, in particular in materials with a non-collinear magnetic configuration, where non-relativistic contributions can dominate over spin-orbit effects. The weak antiferromagnetic phase of Mn$_{3}$Sn is used to illustrate these findings. Using electronic structure theory as a conceptual platform, all relevant exchange interactions are derived for a general, non-collinear magnetic state. It is demonstrated that non-collinearity influences all three types of exchange interaction and that physically distinct mechanisms, which connect to electron- and spin-density and currents, may be used as a general way to analyze and understand magnetic interactions of the solid state.

연구 동기 및 목표

• Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 상호작용의 기원이 스핀-오비트 결합(SOC)에 의해만 발생한다는 기존의 견해에 도전하기 위해.
• 비결합적 자성 순서가 비상대론적 메커니즘을 통해 DM 유사 상호작용을 생성하는 데 기여하는 바를 조사하기 위해.
• 전하 전류, 스핀 전류, 전하 밀도 및 스핀 밀도 기여를 교환 상호작용에서 분리하기 위해.
• 비결합적 비상대론적 프레임워크를 사용하여 Mn₃Sn의 약한 강자성과 큰 비정상 홀 효과를 설명하기 위해.

제안 방법

• 비결합 자성 상태로 일반화된 Liechtenstein-Katsnelson-Antropov-Gubanov 접근법에 기반한 일급 전자 구조 이론을 적용하였다.
• 선형 반응 이론을 사용하여 스핀 의존 교환 텐서에서 모든 이차항 교환 상호작용(헤이젠베르크, DM, 이방형 대칭)을 유도하였다.
• 효과적 교환 상호작용을 네 가지 물리적으로 구별 가능한 기여로 분해하였다: 전하 전류(CC), 스핀 전류(SC), 전하 밀도(CD), 스핀 밀도(SD) 항목.
• ELK 코드를 사용하여 총 에너지 차이와 자기이방성도를 계산하였으며, 스핀-오비트 결합 효과는 섭동 처리를 통해 포함시켰다.
• 모델 Mn₃Sn 격자 세포에서 자성 비틀기 각도 θ에 따른 교환 매개변수(J, D, A)의 각도 의존성을 분석하였다.
• 비결합 시스템에서 상대론적 및 비상대론적 기여를 분리하기 위한 일반화된 프레임워크를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오비트 결합 없이도 비상대론적 비결합 스핀 텍스처에서 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 기원할 수 있는가?
• RQ2 비결합 자성체에서 전하 전류, 스핀 전류, 전하 밀도 및 스핀 밀도 메커니즘의 기여 비율은 DM 상호작용에 대해 어떻게 기여하는가?
• RQ3 비결합성은 Mn₃Sn에서 교환 상호작용의 강도와 각도 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 비결합 스핀 텍스처가 비정상 홀 효과나 스핀 홀 효과와 같은 현상에서 스핀-오비트 결합 효과를 모방하거나 이를 초월할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 Mn₃Sn의 약한 강자성은 전통적인 상대론적 스핀-오비트 결합 기반 메커니즘 대신 비상대론적 메커니즘으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• Mn₃Sn에서 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용은 주로 비결합 스핀 텍스처에서 기인하는 비상대론적 기원을 가지며, 특히 스핀 전류 및 스핀 밀도 기여에 의해 주로 결정된다.
• 스핀 전류(SC) 및 스핀 밀도(SD) 항목은 강한 각도 의존성을 보이며, 비결합 구조에서만 비영이 되며, 결합 상태에서는 사라진다.
• 전하 전류(CC) 항목은 공면 상태에서 무시할 수 있을 정도로 작으며, 이는 주로 스핀-오비트 결합에 의해 유도된 효과임을 확인한다. 반면 비결합성이 비상대론적 주요 기여를 이끈다.
• Mn₃Sn에서 비결합 스핀 텍스처는 표준 대칭 원리에 따라 순수 토크가 존재하지 않는다는 점을 감안할 때도 상당한 DM 상호작용을 생성하여 관측된 약한 강자성을 설명한다.
• 비결합성에 기인한 자기이방성은 약 3 μeV로 계산되었으며, 실험 관측치와 일치하며 상대론적 스핀-오비트 기여에 비슷한 크기이다.
• 비결합성은 스핀 전류 및 스핀-오비트 유사 효과를 생성할 수 있으며, 스핀트로닉스 현상인 스핀 홀 효과나 스핀 릴랙세이션 메커니즘에서 전통적 스핀-오비트 효과를 초월하는 기여를 할 수 있다.