[논문 리뷰] Emerging research landscape of altermagnetism

Libor Šmejkal, Jairo Sinova외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 22.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 45

한 줄 요약

이 Perspective는 보상된 반평행 순서와 모멘텀 공간의 스핀 분리를 특징으로 하는 제3의 자기상인 altermagnetism을 소개하고, 그 대칭 기초, 물질 후보군, 그리고 condensed-matter 물리학 전반에 걸친 잠재적 영향을 조사한다.

ABSTRACT

Magnetism is one of the largest, most fundamental, and technologically most relevant fields of condensed-matter physics. Traditionally, two basic magnetic phases have been considered -- ferromagnetism and antiferromagnetism. The breaking of the time-reversal symmetry and spin splitting of the electronic states by the magnetization in ferromagnets underpins a range of macroscopic responses in this extensively explored and exploited type of magnets. By comparison, antiferromagnets have vanishing net magnetization. This Perspective reflects on recent observations of materials hosting an intriguing ferromagnetic-antiferromagnetic dichotomy, in which spin-split spectra and macroscopic observables, akin to ferromagnets, are accompanied by antiparallel magnetic order with vanishing magnetization, typical of antiferromagnets. An unconventional non-relativistic symmetry-group formalism offers a resolution of this apparent contradiction by delimiting a third basic magnetic phase, dubbed altermagnetism. Our Perspective starts with an overview of the still emerging unique phenomenology of the phase, and of the wide array of altermagnetic material candidates. In the main part of the article, we illustrate how altermagnetism can enrich our understanding of overarching condensed-matter physics concepts, and have impact on prominent condensed-matter research areas.

연구 동기 및 목표

• ferromagnetism과 antiferromagnetism를 넘어서는 독립적인 자기상으로서의 altermagnetism의 등장과 현상론을 요약한다.
• altermagnetism을 정의하고 스핀-분리 밴드 특징을 보호하는 비상대론적 스핀-그룹 대칭 프레임워크를 개요한다.
• altermagnetic 스핀-분리를 뒷받침하는 물질 후보군과 처음 원자 수준의 증거를 확인한다.
• 주요 condensed-matter 개념(Kramers 정리, Berry 위상, 준입자)과 스핀트로닉스 및 초전도성과 같은 연구 영역에 대한 시사점을 논의한다.

제안 방법

• 비상대론적 스핀-그룹 대칭을 상대론적 자기군의 일반화로서 설명한다.
• 회전에 의해 연결된 반대 스핀 부분 격자 변환이 altermagnetic 순서를 어떻게 유도하는지 설명한다.
• 결정구조 및 ab initio 데이터에서 altermagnet를 인식하기 위한 식별 규칙을 제시한다.
• 2D/3D, 절연체에서 금속에 이르는 다양한 차원성과 전도 유형에 걸친 예측 및 확인된 altermagnetic 물질을 조사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 분리 및 대칭 측면에서 altermagnetism이 ferromagnetism 및 고전적 antiferromagnetism과 무엇이 다른가?
• RQ2 비상대론적 스핀-그룹 대칭이 운동량 공간의 스핀 분리를 어떻게 보호하면서 순 자화가 0으로 유지되는가?
• RQ3 특징적인 물질 후보군과 그들이 예측되었거나 관찰된 스핀-분리의 크기는 무엇인가?
• RQ4 altermagnetism이 스핀트로닉스 및 열전학 등의 보다 넓은 condensed-matter 물리 개념과 응용 분야에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• Altermagnetism은 보상된 반평행 순서를 가진 물질에서 순 자화가 0이면서도 스핀-분리된 시간 반전 대칭을 가진 밴드 구조를 보인다.
• Altermagnets의 스핀 분리는 모멘텀에 강하게 의존하며 브릴루앙 영역의 일부에서 강자성체와 유사한 규모(예: RuO2에서 약 1 eV 수준)에 도달할 수 있다.
• 비상대론적 스핀-그룹 대칭은 altermagnetic 상을 분류하고 기술하는 강력한 틀을 제공하며 이를 자성체 및 고전적 antiferromagnet와 구별시킨다.
• 스핀업 및 스핀다운 페르미-표면 구간은 비등방성이지만 균등하게 채워져 있으며 특정 고대칭선이나 표면에서 스핀 이중성은 보존된다.
• 비상대론적 계산은 altermagnetic 스핀 분리가 상대론적 전자구조 결합에 강하게 의존하지 않으며 여러 물질에서 상관 효과를 견뎌낸다는 것을 시사한다.
• 다양한 물질 후보가 예측되었는데, 2D/3D, 절연체에서 금속에 이르는 범위와 다양한 화학 조성을 포함하며 RuO2, Mn5Si3, CrSb, MnTe, La2CuO4 및 기타(표 3)에 걸쳐 altermagnetism을 호스팅할 가능성이 있다.