[论文解读] Altermagnetic Polar Metallic phase in Ultra-Thin Epitaxially-Strained RuO2 Films

Seung Gyo Jeong, In Hyeok Choi+13 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2024

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 12

一句话总结

本文为 RuO2/TiO2 (110) 超薄薄膜建立了相图，揭示在受拉伸的 2 nm 薄膜中存在一种 altermagnetic 金属极性相，并发现近在 500 K 附近的磁相变，这是超薄薄膜所特有的。

ABSTRACT

Altermagnetism refers to a wide class of magnetic orders featuring magnetic sublattices with opposite spins related by rotational symmetries, resulting in non-trivial spin splitting and magnetic multipoles. However, the direct observation of the altermagnetic order parameter remains elusive. Here, by combining theoretical analysis, electrical transport, X-ray and optical spectroscopies, we establish a phase diagram in hybrid molecular beam epitaxy-grown RuO2/TiO2 (110) films, mapping symmetries along with altermagnetic/electronic/structural phase transitions as functions of film thickness and temperature. This features a novel altermagnetic metallic polar phase in epitaxially-strained 2 nm films, extending the concept of multiferroicity to altermagnets. Such a clear signature of a magnetic phase transition at ~500 K is observed exclusively in ultrathin strained films, unlike in bulk RuO2 single crystals. These results demonstrate the potential of epitaxial heterostructure design to induce altermagnetism, paving the way for emergent novel phases with multifunctional properties.

研究动机与目标

• 在 RuO2/TiO2 (110) 薄膜中，随厚度和温度变化绘制对称性与相变。
• 在输运、X 射线和光学光谱中识别 altermagnetic 的序签标志。
• 通过外延应变将多铁性（multiferroicity）的概念扩展到 altermagnetic 系统。
• 展示异质结构设计诱导 altermagnetism 的潜力。

提出的方法

• 结合理论分析与 RuO2/TiO2 (110) 薄膜的电输运、X 射线光谱和光学光谱，采用混合分子束外延生长。
• 系统地改变薄膜厚度（特别是降低至 2 nm）和温度以绘制相行为。
• 提取与对称性相关的 altermagnetic、电子与结构相变的标志。
• 通过实验可观测量识别超薄薄膜中的极性金属型 altermagnetic 相。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着厚度和温度的变化，RuO2/TiO2 (110) 薄膜允许的对称性下的 altermagnetic、电子和结构相有哪些？
• RQ2 外延应变和极薄状态能否稳定在块材 RuO2 中未观测到的 altermagnetic 极性金属相？
• RQ3 在超薄薄膜中，输运、X 射线和光学光谱的哪些信号表明在约 500 K 出现 altermagnetic 序的转变？
• RQ4 所观察到的相图如何将多铁性概念扩展到 altermagnetic 材料？

主要发现

• 在 2 nm 外延应变 RuO2 薄膜中观察到一种新型的 altermagnetic 金属极性相。
• 近 ~500 K 出现明确的磁相变信号仅在超薄应变薄膜中出现，而在块材 RuO2 晶体中不存在。
• 该研究绘制了对称性及相变随薄膜厚度和温度的变化。
• 外延异质结构设计可用于在氧化物薄膜中诱导 altermagnetism。
• 该工作将理论与多种光谱学与输运测量相结合，以建立相图。