[논문 리뷰] Fermiology and transport properties of the half-metallic itinerant ferromagnet CoS$_2$: influence of spin orbit coupling

A. Piñeiro, Botana, A. S.외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 26.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 37인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 반금속성 강자성체 CoS₂의 전자 구조 및 전송 성질을 조사하여 스핀-오비트 결합(SOC)이 페르미 수준에서 少수 스포인 상태를 유도함으로써 반금속성의 성질을 약화시킨다는 것을 입증한다. 이虽, SOC는 전도도에 약 몇 퍼센트의 감소만 초래하며, 실험적으로 관측된 음성 자기저항과 일치하여 SOC 영향에도 불구하고 강한 스핀 분류가 유지됨을 시사한다.

ABSTRACT

Electronic structure calculations were performed on the compound CoS$_2$, an itinerant ferromagnet whose magnetic properties can be understood in terms of spin fluctuation theory. We have identified nesting features in the Fermi surface of the compound, active for long wavelength spin fluctuations. The electronic structure of the material is close to a half-metal. We show the importance of introducing spin-orbit coupling (SOC) in the calculations, that partially destroys the half-metallicity of the material. By means of transport properties calculations, we have quantified the influence of SOC in the conductivity at room temperature, with an important decrease comparing to the GGA alone conductivity. SOC also helps to understand the negative 0 of the material, whose conductivity varies by a few percent with the introduction of small perturbations in the states around the Fermi level.

연구 동기 및 목표

• 스핀-오비트 결합(SOC)이 CoS₂에서 반금속성의 붕괴에 미치는 역할를 이해하기 위해.
• 페르미 표면의 네스팅이 이트리언트 강자성체에서 스핀 변동에 의해 유도되는 자성의 영향을 조사하기 위해.
• 운반 이론 계산을 통해 SOC가 전기 전도도 및 자기저항에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 이론적 예측과 CoS₂에서 관측된 음성 자기저항 간의 일치를 도출하기 위해.
• GGA만으로도 정확한 전송 기술을 기술할 수 있는지, 아니면 현실적인 모델링을 위해 SOC가 필수적인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 일반화된 기울기 근사(GGA)를 사용한 wien2k 코드를 이용한 밀도함수이론(DFT) 계산 수행.
• 전자 구조 및 반금속성에 대한 영향을 평가하기 위해 DFT 계산에 스핀-오비트 결합(SOC)을 통합.
• 네스팅 벡터를 사용하여 페르미 표면 네스팅 특성을 분석하고 장파장 스핀 변동을 식별.
• 볼츠만 운반 이론을 통해 스핀 분류 전도도를 계산하여 스핀 분류 및 SOC 영향 평가.
• 9 T 및 0 T 자기장 하에서의 저항도 자료로부터 자기저항비 MR = 100(ρ₉ₜ − ρ₀ₜ)/ρ₀ₜ 계산.
• GGA 및 GGA+SOC 결과를 비교하여 전도도의 상대적 변화를 정량화하기 위해 P_SOC = (σ_noSOC − σ_SOC)/(σ_noSOC + σ_SOC) 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오비트 결합은 CoS₂의 반금속성 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 실온에서 CoS₂의 전기 전도도에 대해 SOC의 정량적 영향는 무엇인가?
• RQ3 페르미 표면 네스팅 특성은 이트리언트 강자성체에서 스핀 변동 메커니즘과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 CoS₂는 완전한 스핀 분류가 아니지만 왜 음성 자기저항을 나타내는가?
• RQ5 GGA만으로 CoS₂의 전송 성질을 GGA+SOC에 비해 얼마나 잘 기술하는가?

주요 결과

• 스핀-오비트 결합(SOC)은 페르미 수준에서 비제로의 少수 스포인 상태를 도입함으로써 CoS₂의 반금속성의 일부를 파괴한다.
• GGA만으로 계산된 전도도는 GGA+SOC로 계산된 전도도보다 높으며, SOC로 인해 약 몇 퍼센트 감소함을 보여준다.
• 실온에서 스핀 업 전도도는 총 전도도의 99.8%를 차지하며, 스핀 다운은 오직 0.2%에 불과하여 높은 스핀 분류를 나타낸다.
• 계산된 P_SOC 값은 GGA만으로는 GGA+SOC보다 더 좋은 전도도를 예측함을 확인하며, SOC 포함으로 인한 저항도 증가를 확인한다.
• Tc = 122 K 이하의 강자성 상에서 음성 자기저항 −3%에서 −9%가 관측되며, 이는 높지만 완전하지 않은 스핀 분류와 일치한다.
• 실험적 자기저항 행동은 강한 스핀 분류와 소량의 SOC 유도된 少수 상태 혼합의 공통 효과로 설명된다.