[论文解读] Crystal design of altermagnetism

Zhiyuan Zhou, Xingkai Cheng+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2024

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种新颖的晶体设计策略，通过扭曲CrSb薄膜以破坏(0001)平面上的滑移镜像和磁镜像，实现对反磁性对称性的精确调控，从而工程化实现反磁性。该方法实现了室温下的自发反常霍尔效应，并通过晶体对称性工程实现可设计的交换耦合扭矩与Dzyaloshinskii-Moriya（DM）扭矩的锁定，从而实现无外场、100%的Néel矢量开关。

ABSTRACT

Symmetry plays a fundamental role in condensed matter. The unique entanglement between magnetic sublattices and alternating crystal environment in altermagnets provides a unique opportunity for designing magnetic space symmetry. There have been extensive experimental efforts concentrated on tuning the Neel vector to reconstruct altermagnetic symmetry. However, it remains challenging to modulate the altermagnetic symmetry through the crystal aspect. Here, the crystal design of altermagnetism is successfully realized, by breaking glide mirrors and magnetic mirrors of the (0001) crystallographic plane in CrSb films via crystal distortion. We establish a locking relationship between altermagnetic symmetry and the emergent Dzyaloshinskii-Moriya (DM) vectors in different CrSb films, realizing unprecedentedly room-temperature spontaneous anomalous Hall effect in an altermagnetic metal. The concept of exchange-coupling torques is broadened to include both antiferromagnetic exchange-coupling torque and DM torque. Their relationship is designable, determining electrical manipulation modes, e.g., field-assisted switching for CrSb(1-100)/Pt and field-free switching for W/CrSb(11-20). Particularly, the unprecedentedly field-free 100-percent switching of Neel vectors is realized by making these two torques parallel or antiparallel, dependent on Neel vector orientation. Besides unravelling the rich mechanisms for electrical manipulation of altermagnetism rooted in broadened concept of exchange-coupling torques, we list other material candidates and propose that crystal design of altermagnetism would bring rich designability to magnonics, topology, etc.

研究动机与目标

• 为克服通过晶体对称性调控来电控反磁性序的挑战。
• 建立一个可设计的框架，将反磁性对称性与涌现的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）矢量联系起来。
• 通过工程化交换耦合扭矩，实现在反磁性金属中无外场、100%的Néel矢量开关。
• 将交换耦合扭矩的概念扩展至同时包含反铁磁性和DM贡献，以实现可调谐的电控开关模式。

提出的方法

• 对CrSb薄膜施加晶体扭曲，以破坏(0001)晶面的滑移镜像和磁镜像。
• 通过群论分析识别与反磁性序相关的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）矢量的涌现。
• 通过工程化设计，建立反磁性对称性与DM矢量之间的锁定关系，以控制Néel矢量取向。
• 设计交换耦合扭矩与DM扭矩使其平行或反平行，从而实现无外场开关。
• 结合理论建模与对称性分析，预测并验证不同异质结构中的电控操纵模式。
• 基于对称性相容性及增强的拓扑与磁激发响应潜力，提出候选材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过晶体对称性工程调控反磁性序及其关联的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）矢量？
• RQ2 如何调控反铁磁交换耦合扭矩与Dzyaloshinskii-Moriya扭矩之间的相互作用，以实现电控开关？
• RQ3 晶体扭曲在实现反磁性金属中无外场、100% Néel矢量开关中起到何种作用？
• RQ4 能否通过对称性调控的反磁性实现室温下的自发反常霍尔效应？
• RQ5 识别具有可调谐电控操纵特性的新型反磁性材料的设计原则是什么？

主要发现

• 对CrSb(1-100)薄膜的晶体扭曲破坏了(0001)平面上的滑移镜像和磁镜像，从而实现了对反磁性对称性的控制。
• 建立了反磁性对称性与涌现的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）矢量之间的锁定关系，导致室温下出现自发反常霍尔效应。
• 在W/CrSb(11-20)中，通过将交换耦合扭矩与DM扭矩配置为平行或反平行，实现了无外场、100%的Néel矢量开关。
• 交换耦合扭矩的概念被扩展，包含反铁磁性与DM贡献，从而实现可设计的电控操纵模式。
• 本研究基于对称性与晶体结构相容性，识别出新型反磁性材料候选。
• 结果展示了通过晶体设计对反磁性序实现前所未有的控制，对自旋电子学与拓扑量子材料具有重要意义。