[논문 리뷰] Induced Monolayer Altermagnetism in MnP(S,Se)$_3$ and FeSe

I. I. Mazin, Rafael González‐Hernández외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 05.

Iron-based superconductors research인용 수 18

한 줄 요약

몬올레이어 반자성 MnP(S,Se)3 및 FeSe를 out-of-plane 전기장, Janus화, 또는 기판으로 PT 대칭성을 깨뜨려 강한 알터마 magnets로 기능화하는 방법을 시연하고, 동반하는 자광광학 및 위상적 특징을 보여준다.

ABSTRACT

Altermagnets (AM) are a recently discovered third class of collinear magnets, distinctly different from conventional ferromagnets (FM) and antiferromagnets (AF). AM have been actively researched in the last few years, but two aspects so far remain unaddressed: (1) Are there realistic 2D single-layer altermagnets? And (2) is it possible to functionalize a conventional AF into AM by external stimuli? In this paper we address both issues by demonstrating how a well-known 2D AF, MnP(S,Se)$_3$ can be functionalized into strong AM by applying out-of-plane electric field. Of particular interest is that the induced altermagnetism is of a higher even-parity wave symmetry than expected in 3D AM with similar crystal symmetries. We confirm our finding by first-principles calculations of the electronic structure and magnetooptical response. We also propose that recent observations of the time-reversal symmetry breaking in the famous Fe-based superconducting chalchogenides, either in monolayer form or in the surface layer, may be related not to an FM, as previously assumed, but to the induced 2D AM order. Finally, we show that monolayer FeSe can simultaneously exhibit unconventional altermagnetic time-reversal symmetry breaking and quantized spin Hall conductivity indicating possibility to research an intriquing interplay of 2D altermagnetism with topological and superconducting states within a common crystal-potential environment.

연구 동기 및 목표

• 실제적인 2차원 알터마그네티가 외부 대칭성 파괴에 의해 2D 반강자성체로부터 만들어질 수 있는지 탐구한다.
• MnP(S,Se)3 및 FeSe 단일층에서 알터마그네틱 순서를 유도하는 기능화 경로(전기장, Janus화, 기판 효과)를 시연한다.
• 결과적으로 생기는 스핀 분할 대칭성과 그 자광광학 반응을 특성화한다.
• Fe 기반 초전도체에서의 TRS 대칭 파괴 관찰 및 FeSe의 위상적 측면과의 잠재적 연결 고를 평가한다.
• 유도된 알터마그네틱 상태와 그 관찰 가능 결과에 대한 첫 원리 지지를 제공한다.

제안 방법

• First-principles density functional theory (DFT) calculations with VASP and comparison with WIEN2k.
• Use GGA-PBE for exchange-correlation with DFT+U to treat Mn (U_eff ≈ 4 eV) and modest U for FeSe to emulate experimental Fermiology.
• Spin-orbit coupling included to assess band splitting and magneto-optical responses.
• Wannier90 to construct a tight-binding representation for evaluating spin Hall conductivity.
• Symmetry analysis to identify altermagnetic spin channels and possible d- or i-wave waveforms in 2D.
• Compute magneto-optical Kerr effect (MOKE) and spin Hall conductivity to connect altermagnetic order with observable signals.]
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실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제적인 2D 알터마그네티가 외부 대칭성 파괴에 의해 2D 반강자성체로부터 만들어질 수 있는지
• RQ2 MnP(S,Se)3 및 FeSe 단일층에서 알터마그네틱 순서를 유도하는 실용적 경로(전기장 게이팅, 화학적 Janus화, 기판 인터페이스)가 있는지
• RQ3 이러한 2D 시스템에서 알터마그네틱 스핀 분할의 대칭성 특성과 각도 의존성은 무엇인지
• RQ4 유도된 알터마그네티가 측정 가능한 자광광학 반응 및 양자 스핀 홀 전도와 같은 위상적 특성을 보이는지
• RQ5 FeSe 기반 표면에서 관찰된 TRS 파괴 신호를 유도된 알터마그네티스로 설명할 수 있는지

주요 결과

• 전기장 게이팅은 PT 대칭성을 깨뜨리면서도 거울 대칭을 보존하여 MnPSe3에서 강한 알터마그네틱 스핀 분리를 최대 ~25 meV까지 유도할 수 있다.
• Janus화(상/하 리간드 비대칭성)는 상당한 Kerr 회전을 갖는 알터마그네틱 밴드 구조를 산출하며, 최대 Kerr 각도는 약 0.4도에 도달한다.
• 단일층 FeSe는 dx2−y2 타입의 알터마그네틱 스핀 분리를 가질 수 있으며, SOC는 M 점에서 위상학적으로 비자명한 간극을 열어 정량화된 스핀 홀 전도도 구간을 유도한다.
• SrTiO3 기판 위의 FeSe 단일층 또는 표면 효과는 ferromagnetism를 도입하지 않더라도 EELS 및 MOKE 실험에서 관찰된 시간 반전 대칭(TRS) 파괴 신호를 설명할 수 있다.
• FeSe의 2D 알터마그네시스는 양자 스핀 홀 시나리오와 호환되며, 공통 결정 전위 환경에서 알터마그네시스, 위상학 및 초전도성 간의 상호 작용을 시사한다.
• 본 연구는 유도된 알터마그네시스를 Fe 기반 초전도체에서 관찰된 TRS-파괴 현상과 연결하고 2D에서 알터마그네틱 위상학을 탐구하기 위한 실용적인 플랫폼을 제시한다.