[论文解读] Crystal Hall effect in Collinear Antiferromagnets

Libor Šmejkal, Rafael González‐Hernández+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 8

一句话总结

本文提出了一种新型晶体霍尔效应（CHE），该效应存在于共线反铁磁体中，源于非中心对称位置上的非磁性原子与非对称自旋-轨道耦合（ASOC）的共同作用，从而在不依赖净磁矩的情况下破坏时间反演对称性。该效应在室温下的RuO₂中产生巨大的霍尔电导率，并可通过晶体手性实现符号调控，为无耗散自旋电子器件提供了新途径。

ABSTRACT

Electrons, commonly moving along the applied electric field, acquire in certain magnets a dissipationless transverse velocity. This spontaneous Hall effect, discovered more than a century ago, has been understood in terms of the time-reversal symmetry breaking by the internal spin-structure of a ferromagnetic, noncolinear antiferromagnetic or skyrmionic form. Here we identify previously overlooked robust Hall effect mechanism arising from collinear antiferromagnetism combined with nonmagnetic atoms at non-centrosymmetric positions. We predict a large magnitude of this crystal Hall effect in a room-temperature collinear antiferromagnet RuO$_2$ and catalogue, based on our symmetry rules, extensive families of material candidates. We show that the crystal Hall effect is accompanied by the possibility to control its sign by the crystal chirality. We illustrate that accounting for the full magnetization density distribution instead of the simplified spin-structure sheds new light on symmetry breaking phenomena in complex magnets and opens an alternative avenue towards quantum materials engineering for low-dissipation nanoelectronics.

研究动机与目标

• 识别一种在共线反铁磁体中产生自发霍尔效应的新机制，该机制不依赖于净磁矩或自旋旋转对称性破缺。
• 证明非磁性原子位于非中心对称位置时，可通过非对称自旋-轨道耦合（ASOC）实现时间反演对称性破缺。
• 基于对称性建立支持晶体霍尔效应（CHE）的材料分类体系，并预测候选材料。
• 表明当保持磁结构不变时，通过反转晶体手性可实现霍尔电导率符号的反转。
• 揭示全磁化密度分布（而不仅仅是自旋矢量）对于理解复杂磁体中对称性破缺至关重要。

提出的方法

• 基于磁空间群（MSG）和磁Laue群（MLG）构建理论框架，对共线反铁磁体中允许的霍尔电导率分量进行分类。
• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，包括自旋-轨道耦合（SOC）在内，计算如RuO₂和Co₁/₃NbS₂等材料的霍尔电导率张量。
• 将晶体霍尔效应（CHE）定义为非磁性原子位置（破坏反演对称性）与非对称自旋-轨道耦合（ASOC）相互作用的结果，后者破坏时间反演对称性。
• 引入“晶体手性”概念，作为独立于磁矩取向的拓扑自由度，用以控制霍尔响应的符号。
• 分析磁化密度分布及其非对称性，表明仅基于自旋结构的模型不足以预测CHE。
• 利用对称性规则和MagnData数据库构建候选材料目录，识别出RuO₂和Co₁/₃NbS₂为强候选材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 在共线反铁磁体中，是否可能在不依赖净磁矩或非共线自旋结构的情况下存在自发霍尔效应？
• RQ2 非磁性原子位于非中心对称位置在反铁磁体中对时间反演对称性破缺起何作用？
• RQ3 在保持磁序不变的前提下，是否可通过晶体手性控制霍尔电导率的符号？
• RQ4 全磁化密度分布如何影响霍尔效应的出现，而超越简化的自旋矢量模型？
• RQ5 基于对称性和电子结构，哪些材料被预测可承载大的晶体霍尔效应？

主要发现

• 预测在RuO₂中晶体霍尔效应（CHE）的电导率极大，其在[100]方向的计算值约为1000 (e²/h)，表明具有强烈的无耗散输运特性。
• CHE源于非磁性原子位于非中心对称位置所诱导的非对称自旋-轨道耦合（ASOC），该机制在不依赖净磁矩的情况下破坏时间反演对称性。
• 在Co₁/₃NbS₂中，当晶体手性从左手性反转为右手性时，霍尔电导率发生符号反转，证明了该效应的手性可调性。
• 霍尔电导率在反铁磁Néel矢量反转后仍保持稳定，证实该效应与晶体手性相关，而非仅依赖于磁序本身。
• 研究表明，基于自旋矢量投影的标准模型无法预测CHE，必须引入全磁化密度分布才能准确描述。
• 通过对称性规则建立了一个全面的候选材料目录，确定RuO₂和Co₁/₃NbS₂为实验实现的首选候选材料。