[論文レビュー] P-wave magnets

Anna Birk Hellenes, T. Jungwirth+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2023

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、非対称中心をもたない結晶における非平面磁気秩序を持つ系において、新しい交換スピン軌道結合メカニズムを提案し、数百meVに達する巨大なスピン分離を示す非従来型p波磁性をもたらす。従来のディラックに基づくスピン軌道結合とは異なり、このメカニズムは磁気的交換相互作用に起因し、重元素を必要とせず、強固なp波スピン運動量ロックを実現する。予測される実現材料は、反ペロブスカイト構造のCe3InNおよびMn3GaNである。

ABSTRACT

The p-wave Cooper-pairing instability in superfluid $^{3}$He, characterized by a parity-breaking excitation gap, is regarded as one of the most rich and complex phenomena in physics. The possibility of a counterpart unconventional p-wave ordering of interacting fermions, in which a Fermi surface spontaneously breaks the parity symmetry, has been an open problem for many decades. Here we identify the realization of the counterpart of p-wave superfluidity in magnetism. We demonstrate a strong parity-breaking and anisotropic symmetry lowering of spin-polarized and time-reversal symmetric Fermi surfaces in a representative p-wave magnet CeNiAsO. As a direct experimental signature we predict a large spontaneous anisotropy of the resistivity. Abundant and robust realizations of the unconventional p-wave magnetism can be identified from suitable non-relativistic crystal-lattice and spin symmetries, without requiring strong correlations and extreme external conditions. This opens new prospects in fields ranging from topological phenomena to spintronics.

研究の動機と目的

• 重い相対論的元素を必要としない新しいスピン軌道結合メカニズムの特定。
• 凝縮物質系において、大きな非相対論的スピン軌道結合を実現する長年の課題の解決。
• ヘリウム-3におけるp波超流動の磁気的双対体たる非従来型p波磁気秩序の存在を示すこと。
• 交換駆動スピン軌道結合による巨大スピン分離を示す現実的な材料候補の予測。
• s波強磁性体およびd波アルタマグネティズムとは別個の磁気秩序としてのp波磁性の枠組みの確立。

提案手法

• 非平面スピン構造を安定化させるために、磁気モーメント制約を施した密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 自己無撞着計算には4×4×7のk空間グリッド、フェルミ面計算には9×9×13のグリッドを用い、スピン分離バンドを解像した。
• 電子構造計算の収束を確保するため、エネルギーカットオフ600 eVを設定し、136–176バンドを含めた。
• 所望のスピン配置を強制するために、エネルギーペナルティ重み（λ = 2–3 eV）を用いた磁気モーメント制約を実装した。
• PyProcar 5.6.6を用いてスピン極化フェルミ面を計算し、運動量依存のスピン分離を可視化した。
• Γ点周辺のバンド分散を分析し、p波秩序に特徴的な線形的かつ非対称なスピン分離が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非相対論的で交換駆動のスピン軌道結合メカニズムは、重元素を必要とせずに大きなスピン分離を生じうるか？
• RQ2 非対称中心をもたない結晶におけるp波スピン運動量ロックを支える磁気秩序の性質は何か？
• RQ3 現実的な材料が、交換誘導p波磁性と実験的に測定可能なスピン分離を有するか？
• RQ4 交換スピン軌道結合は、従来のディラックに基づくスピン軌道結合と、対称性およびバンド構造においてどのように異なるか？
• RQ5 p波磁性は、トポロジカルスピントロニクスおよび無散乱輸送にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 非対称中心をもつ結晶における非平面スピン秩序を示す磁気的交換相互作用に起因する、新しいスピン軌道結合メカニズムが同定された。
• このメカニズムは、ヘリウム-3におけるp波超流動に類似した、反対称的かつ時間反転不変のスピン極化を示すp波磁気相をもたらす。
• タイプAおよびタイプBの交換スピン軌道結合が同定され、スピン分離が1つまたは2つのフェルミ面に現れるかどうかで区別される。
• Ce3InNおよびMn3GaNにおいて、典型的なディラックに基づくスピン軌道結合をはるかに上回る、最大数百meVに達する巨大スピン分離が予測された。
• Γ点周辺の線形バンド分散は、トポロジカルおよびスピントロニクス応用に適した強固なp波スピン運動量ロックを確認した。
• 予測された材料は軽元素から構成されており、スピントロニクスおよび量子エレクトロニクス分野における重元素ベースのスピン軌道系の実用的代替手段を提供する。