[论文解读] Chiral magnons in altermagnetic RuO2

Libor Šmejkal, Alberto Marmodoro+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2022

Advanced Condensed Matter Physics被引用 7

一句话总结

本研究通过密度泛函理论计算，展示了在反铁磁性材料RuO₂中存在具有交替手性分裂的手性磁振子。与传统反铁磁体不同，由于氧原子导致的反演对称性破缺，磁振子能带的手性简并性被打破，从而产生手性、太赫兹频率、线性色散的磁振子，且朗道阻尼被抑制——这使其成为超快、低能耗磁振子自旋电子学的理想候选。

ABSTRACT

Magnons in ferromagnets have one chirality, and typically are in the GHz range and have a quadratic dispersion near the zero wavevector. In contrast, magnons in antiferromagnets are commonly considered to have bands with both chiralities that are degenerate across the entire Brillouin zone, and to be in the THz range and to have a linear dispersion near the center of the Brillouin zone. Here we theoretically demonstrate a new class of magnons on a prototypical $d$-wave altermagnet RuO$_2$ with the compensated antiparallel magnetic order in the ground state. Based on density-functional-theory calculations we observe that the THz-range magnon bands in RuO$_2$ have an alternating chirality splitting, similar to the alternating spin splitting of the electronic bands, and a linear magnon dispersion near the zero wavevector. We also show that, overall, the Landau damping of this metallic altermagnet is suppressed due to the spin-split electronic structure, as compared to an artificial antiferromagnetic phase of the same RuO$_2$ crystal with spin-degenerate electronic bands and chirality-degenerate magnon bands.

研究动机与目标

• 研究具有补偿反平行磁序的反铁磁性材料RuO₂中的磁激发谱。
• 确定反铁磁性材料中的磁振子能带是否打破手性简并性，与传统反铁磁体不同。
• 分析自旋分裂电子结构对反铁磁性与人工反铁磁相中朗道阻尼的影响。
• 探索反铁磁性磁振子在超快、低损耗磁振子自旋电子学应用中的潜力。
• 建立电子能带结构对称性破缺与RuO₂中磁振子手性分裂之间的关联。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算，获得RuO₂在基态反铁磁相下的电子与磁结构。
• 将自旋依赖的电子结构映射到海森堡哈密顿量，推导出用于磁振子色散计算的有效交换耦合参数 $J_{ij}$。
• 利用自旋群形式化方法分析对称性保护的简并性，以及非磁性氧原子在破坏亚晶格之间反演与平移对称性中的作用。
• 基于DFT获得的交换耦合参数，使用自旋波理论计算整个布里渊区的磁振子色散与手性分裂。
• 通过Stoner单粒子自旋翻转跃迁评估朗道阻尼，比较反铁磁相与人工反铁磁相的阻尼行为。
• 沿布里渊区高对称路径归一化并比较阻尼强度，以评估反铁磁相中阻尼的抑制程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于反演对称性破缺，反铁磁性RuO₂中是否能产生具有交替手性分裂的磁振子？
• RQ2 反铁磁性RuO₂中的磁振子色散与传统铁磁体和反铁磁体相比有何异同？
• RQ3 与具有简并电子能带的人工反铁磁相相比，反铁磁性RuO₂中的朗道阻尼在多大程度上被抑制？
• RQ4 非磁性氧原子在解除相反手性磁振子能带简并性中起什么作用？
• RQ5 由于线性色散和手性特征，反铁磁性磁振子是否能支持稳定、窄带的波包，从而实现超快信息处理？

主要发现

• 反铁磁性RuO₂在布里渊区内表现出具有交替手性分裂的磁振子能带，类似于其电子能带的自旋分裂。
• 在Γ点附近，磁振子色散为线性，与传统反铁磁体类似，可支持太赫兹频率激发。
• 与具有简并电子能带的人工反铁磁相相比，反铁磁相中的朗道阻尼显著被抑制。
• 阻尼抑制源于自旋分裂的电子结构，从而减少了驱动阻尼的Stoner自旋翻转跃迁的相空间。
• 反铁磁相中的磁振子能带表现出非简并的手性，与传统反铁磁体中相反手性能带的简并性形成鲜明对比。
• 由于在整个布里渊区中存在部分自旋分裂，该体系的阻尼行为介于铁磁性（阻尼强烈抑制）与反铁磁性（简并）之间。