[论文解读] Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2

Xiaodong Zhou, Wanxiang Feng+5 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用 12

一句话总结

本文展示了在自旋磁性 RuO2 的晶体 Nernst 效应和晶体热霍尔效应，由 Weyl 点的 Berry 曲率、伪结点面以及梯形跃迁驱动，具有强的 Néel 矢量取向各向异性和扩展的 Wiedemann-Franz 关系。

ABSTRACT

We demonstrate the emergence of a pronounced thermal transport in the recently discovered class of magnetic materials-altermagnets. From symmetry arguments and first-principles calculations performed for the showcase altermagnet, RuO2, we uncover that crystal Nernst and crystal thermal Hall effects in this material are very large and strongly anisotropic with respect to the Neel vector. We find the large crystal thermal transport to originate from three sources of Berry's curvature in momentum space: the Weyl fermions due to crossings between well-separated bands, the strong spin-flip pseudonodal surfaces, and the weak spin-flip ladder transitions, defined by transitions among very weakly spin-split states of similar dispersion crossing the Fermi surface. Moreover, we reveal that the anomalous thermal and electrical transport coefficients in RuO2 are linked by an extended Wiedemann-Franz law in a temperature range much wider than expected for conventional magnets. Our results suggest that altermagnets may assume a leading role in realizing concepts in spin caloritronics not achievable with ferromagnets or antiferromagnets.

研究动机与目标

• 推动在交替磁体中研究晶体热输运的研究（相对于常规热输运）。
• 识别并分类驱动 RuO2 异常热输运的Berry曲率源。
• 量化晶体 Nernst 效应与晶体热霍尔效应及其对 Néel 向量取向的依赖。
• 通过扩展的 Wiedemann-Franz 框架探讨异常电输运与热输运之间的关系。
• 评估室温交替磁体中的自旋热子学应用潜力。

提出的方法

• 进行对称性分析以确定 RuO2 中允许的晶体热输运。
• 进行第一性原理计算，以获得作为 Néel 向量取向函数的本征异常霍尔、Nernst 和热霍尔电导率。
• 使用 Rij(n) 积分和零温下的 AHC 作为输入来计算输运系数，然后对有限温度应用 Sommerfeld 展开。
• 将 Berry 曲率贡献分解为 Weyl 费米子、伪结点面和阶梯跃迁机制。
• 分析自旋守恒（↑↑、↓↓）和自旋翻转（↑↓）的贡献及其对掺杂与能量的依赖。
• 检验温度依赖性及异常 Wiedemann-Franz 关系的有效范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 像 RuO2 这样的交替磁体中是否会出现晶体 Nernst 与晶体热霍尔效应？
• RQ2 在 RuO2 中哪些是主导晶体热输运的 Berry 曲率源？
• RQ3 Néel 向量取向如何影响异常输运系数的量级和对称性？
• RQ4 异常洛伦兹比随温度和费米能量的变化情况如何，系统中是否扩展了 Wiedemann-Franz 定律？
• RQ5 在不同能量和温度范围内，自旋守恒与自旋翻转贡献的对比如何？

主要发现

• 对于大多数 Néel 向量取向，三种晶体输运系数（σ、α、κ）均非零，但某些对称性导致相互抵消。
• 由于对称关系，zx 和 yz 分量几乎完全相同。
• 输运系数相对于 Néel 向量方向呈现强烈各向异性。
• 三种 Berry 曲率源驱动巨大的传输：来自带隙交叉的 Weyl 费米子、自旋对立的伪结点面，以及在弱自旋分裂、相近色散的带之间的梯形跃迁。
• 自旋守恒与自旋翻转贡献在不同掺杂/能量条件下可能占主导地位，在 RuO2 中自旋翻转过程尤为显著，在 MnTe 中也可观测到。
• 在特定能量附近，异常洛伦兹比 L 在广泛温度范围（0–150 K）接近 Sommerfeld 值 L0，指示与拓扑特征和 Weyl 对结态物理相关的内在机制。