[논문 리뷰] Van Hove singularity-induced multiple magnetic transitions in multi-orbital systems

Chen Lu, Lun-Hui Hu|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 31.

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한 줄 요약

본 논문은 다궤도 시스템에서 Van Hove singularities가 다양한 Q=0 자기 주문을 안정화시키고, 내재적 altermagnetism를 포함하며 Hubbard U와 Hund’s coupling JH에서 RPA를 통해 그 전이를 지도한다.

ABSTRACT

Van Hove singularities (VHSs) amplify electronic correlations, providing a crucial platform for discovering novel quantum phase transitions. Here, we show that VHSs in multi-orbital systems can stabilize a variety of competing $\bm{Q}=0$ magnetic orders, including intrinsic altermagnetism emerging from spontaneous orbital antiferromagnetism. This intrinsic phase, in which antiparallel spins reside on distinct orbitals, is realized across all four 2D Bravais lattices. It is driven by orbital-resolved spin fluctuations enhanced by inter-orbital hopping and favors suppressed Hund's coupling $J_H$, strong inter-orbital hybridization, and filling near a VHS from quadratic band touching. Through Hubbard-$U$-$J_H$ phase diagrams we map several magnetic phase transitions: (i) ferrimagnet to $d$-wave extrinsic altermagnet, (ii) $d$-wave intrinsic altermagnet to ferromagnet, and (iii) $g$-wave extrinsic altermagnet to either $d$-wave extrinsic altermagnet or ferromagnet. Our work identifies VHSs as a generic route to altermagnetism in correlated materials.

연구 동기 및 목표

• Van Hove singularities가 전자 상관을 증폭시켜 새로운 자기 질서를 유도하는지를 탐구하려는 동기를 부여한다.
• 다궤도 격자에서 궤도 선택적 saddle 포인트가 Q=0 자기 질서를 안정화시키는지, altermagnetism를 포함하여 조사한다.
• Hubbard U와 Hund’s coupling JH의 위상 다이어그램을 도식화하여 내재적/외재적 altermagnetism, ferrimagnetism, ferromagnetism, 그리고 Néel AFM 사이의 전이를 식별한다.
• 2D Bravais 격자 전반에 걸쳐 quadratic Dirac band touching 근처의 VHSs가 일반적으로 altermagnetic 상태를 선호함을 보인다.

제안 방법

• 궤도 반자성 질서들에 대한 대칭 분석을 수행하고 이를 2D 격자 점군하에 분류한다.
• 사이트당 두 개의 같은 에너지 궤도와 두 개의 서브격자로 구성된 정사각 격자 위의 최소한의 두 궤도 Hubbard 모델을 연구한다.
• 다궤도 Random-Phase Approximation (RPA)을 사용해 Bare 및 RPA 보정 스핀 감수성을 계산한다.
• 여섯 개의 Q=0 자기 질서 채널 O1–O6와 그것들의 궤도-서브격자 구조를 평가한다.
• 동일한 서브격자(t1=t2)와 서로 다른 서브격자(t1≠t2) 경우를 분석해 내재적/외재적 altermagnetism을 구분한다.
• 동적 χ^RPA(k)를 통해 주요 불안정성을 식별하고 임계 근처의 Uc와 우세 질서를 추출한다.

Figure 1: Competing magnetic orders in a two-orbital square lattice model. (a) Schematic of the square lattice with two orbitals ( $d_{xz}$ , $d_{yz}$ ) and $A$ (orange) and $B$ (green) sublattices. Hopping parameters include intra-orbital terms ( $t_{0},t_{1},t_{2}$ ) and and inter-orbital terms (

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다궤도 시스템에서 Van Hove singularities가 어떤 조건에서 Q=0 altermagnetic 질서를 안정화시키는가?
• RQ2 궤도 간 도약(inter-orbital hopping)과 Hund’s coupling이 내재적/외재적 altermagnetic, ferrimagnetic, ferromagnetic, Néel 질서 간의 전이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 2D Bravais 격자에서 VHS 근처에서 내재적 d-wave altermagnetism이 일반적으로 stabil화되는가?
• RQ4 quadratic Dirac band touching에서 비롯된 VHS가 altermagnetic 위상들의 안정성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• VHSs가 inter-orbital hopping을 통해 궤도 분해(spin fluctuations)를 강화하여 궤도 반자성으로부터 내재적 altermagnetism을 안정화한다.
• Hubbard U와 Hund’s coupling JH는 Q=0 자기 위상의 치열한 경쟁을 이끌며, O3→O4( ferrimagnetism에서 d-wave extrinsic altermagnetism으로) 및 O4→O6(외재적 altermagnetism에서 강자성으로) 전이를 포함한다.
• 내재적 altermagnetism(O1/O2)은 강자성과 경쟁하며 VHS 근처에서 안정될 수 있고, 외재적 altermagnetism(O4)과 ferrimagnetism(O3)은 밴드 매개변수와 JH/U에 따라 나타난다.
• G-wave 외재적 altermagnetism(O5)은 JH/U의 변화에 따라 d-wave extrinsic altermagnetism(O4)이나 ferromagnetism(O6)으로 전이될 수 있어 altermagnetic 풍경이 조정 가능함을 시사한다.
• quadratic Dirac band touching에서 비롯된 VHS가 Q=0 altermagnetic 상태를 안정화하는 데 중심적이며, VHS 내부의 nesting은 Q=0 불안정성을 선호하고 약간의 도핑은 발산점을 비영(Q=0이 아닌 Q)으로 옮긴다.

Figure 2: Momentum-space distribution of RPA susceptibilities $\chi^{\text{RPA}}_{\alpha}(\bm{k})$ . (a-f) Calculated susceptibility $\chi^{\text{RPA}}_{1\to 6}(\bm{k})$ for $U=1$ and $J_{H}=0.2$ . The ${\cal O}_{4}$ phase (panel d) exhibits the strongest susceptibility with pronounced peaks at the