[논문 리뷰] Enhanced anomalous Nernst effects in ferromagnetic materials driven by Weyl nodes

Ilias Samathrakis, Teng Long외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 31.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 73인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 266종의 전이금속 기반 화합물에 대한 고속 제1원리 계산을 통해, 페르미 준위 근처의 와이울 노드와 노dal 라인을 초위상 Nernst 효과의 향상 원인으로 규명한다. 92% 성공률을 기록한 자동화된 와이너 함수 구축을 통해 외부 자극인 스트레인과 자장에 의한 조절이 비정상적 Nernst 전도도를 크게 향상시킬 수 있음을 입증하였으며, 16종의 화합물에서 3 A/(m·K)를 초과하는 값을 기록하였다.

ABSTRACT

Based on high-throughput first-principles calculations, we evaluated the anomalous Hall and anomalous Nernst conductivities of 266 transition-metal-based ferromagnetic compounds. Detailed analysis based on the symmetries and Berry curvatures reveals that the origin of singular-like behaviour of anomalous Hall/Nernst conductivities can be mostly attributed to the appearance of Weyl nodes or nodal lines located in the proximity of the Fermi energy, which can be further tailored by external stimuli such as biaxial strains and magnetic fields. Moreover, such calculations are enabled by the automated construction of Wannier functions with a success rate of 92%, which paves the way to perform accurate high-throughput evaluation of the physical properties such as the transport properties using the Wannier interpolation

연구 동기 및 목표

• 고체자기성 물질에서 향상된 비정상적 Nernst 전도도(ANC)의 전자기원을 규명하는 것.
• 와이울 노드와 노dal 라인과 같은 위상적 특성이 ANC를 증폭시키는 역할를 조사하는 것.
• 와이너 보간을 활용한 운반성질 계산을 위한 자동화된 고속 스트림라인 워크플로우를 개발하고 검증하는 것.
• 이방성 스트레인과 자장과 같은 외부 자극에 의한 ANC 조절 가능성 탐색.
• 실온에서 높은 ANC를 보이는 열전소재 응용 가능성이 있는 후보 물질 식별.

제안 방법

• GGA-PBE 및 스핀-오비트 결합을 고려한 VASP를 사용해 335종의 고체자기성 이金간 화합물에 대해 고속 DFT 계산을 수행하였다.
• Wannier90과 내부 파이썬 스크립트를 활용한 자동화된 최대 국소화 와이너 함수(MLWF) 구축으로 92% 성공률 달성.
• Wanniertools를 사용해 브라우어 영역 전역에서 베리 곡률 통합을 통해 비정상적 홀 전도도(AHC) 계산.
• 화학적 환원도에 대한 AHC 도함수의 에너지 해상도 통합을 통해 비정상적 Nernst 전도도(ANC) 평가.
• 자기 Laue 군 4/mm'm' 하에서 대칭 분석 및 베리 곡률 변환을 통해 위상적 특성 식별.
• 와이너 보간을 활용해 대규모 화합물 라이브러리에서 효율적이고 정확한 운반성질 평가 구현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체자기성 물질에서 향상된 비정상적 Nernst 전도도의 주요 전자기원은 무엇인가?
• RQ2 페르미 준위 근처의 와이울 노드와 노dal 라인은 비정상적 Nernst 효과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이방성 스트레인과 자장과 같은 외부 자극에 의해 비정상적 Nernst 전도도는 어느 정도 조절 가능한가?
• RQ4 자동화된 와이너 함수 구축이 복잡한 자기성 물질에서 운반성질의 신뢰성 있는 고속 평가를 가능하게 하는가?
• RQ5 비정상적 Nernst 전도도 값이 3 A/(m·K)를 초과하는 고체자기성 화합물은 어떤 것이 있는가? 이는 열전 응용 가능성을 시사한다.

주요 결과

• BCo4Y에서 비정상적 Nernst 전도도(ANC)는 최대 5.83 A/(m·K)에 도달하였으며, 16종의 화합물에서 3 A/(m·K)를 초과하여 열전 응용에 매우 유망한 잠재력을 보였다.
• 관측된 최대 비정상적 홀 전도도(AHC)는 CrPt3에서 2040 S/cm로, 이전에 보고된 Rh2MnGa의 -1862 S/cm를 초월하였다.
• 페르미 준위 근처에 위치한 와이울 노드와 노dal 라인은 AHC의 특이한 행동과 강화된 ANC의 주요 원인으로 규명되었다.
• 이방성 스트레인과 자장에 의한 외부 조절을 통해 AHC와 ANC를 효과적으로 조절할 수 있으며, 이는 운반 응답의 동적 제어 가능성을 시사한다.
• 자동화된 와이너 함수 구축은 266종의 화합물에서 92%의 성공률 기록하여, 위상 운반성질의 스케일러블하고 정확한 고속 평가를 가능하게 하였다.
• 기존 문헌치와 양호한 일치를 보였다: Co3Sn2S2의 경우 988 S/cm(문헌치 1130 S/cm), Co2VGa의 경우 140 S/cm(문헌치 137 S/cm)로, 계산 워크플로우의 타당성을 검증하였다.