[论文解读] Dzyaloshinskii-Moriya interaction in absence of spin-orbit coupling

Ramon Cardias, Anders Bergman+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 32被引用 4

一句话总结

本文表明，Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用可源自非相对论性、非共线自旋结构，而无需依赖自旋-轨道耦合。通过第一性原理电子结构理论，研究发现，在Mn₃Sn中，非共线性诱导了显著的自旋流和自旋密度贡献，其主导作用超过相对论性的自旋-轨道耦合（SOC）效应，从而解释了该材料的弱铁磁性和拓扑输运特性。

ABSTRACT

In contrast to conventional assumptions, we show that the Dzyaloshinskii-Moriya interaction can be of non-relativistic origin, in particular in materials with a non-collinear magnetic configuration, where non-relativistic contributions can dominate over spin-orbit effects. The weak antiferromagnetic phase of Mn$_{3}$Sn is used to illustrate these findings. Using electronic structure theory as a conceptual platform, all relevant exchange interactions are derived for a general, non-collinear magnetic state. It is demonstrated that non-collinearity influences all three types of exchange interaction and that physically distinct mechanisms, which connect to electron- and spin-density and currents, may be used as a general way to analyze and understand magnetic interactions of the solid state.

研究动机与目标

• 挑战传统观点，即Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用的起源必须依赖自旋-轨道耦合（SOC）。
• 研究非共线磁序在非相对论机制下生成类似DM相互作用的作用。
• 将电荷流、自旋流、电荷密度和自旋密度在交换相互作用中的贡献分离出来。
• 基于非共线、非相对论框架，解释Mn₃Sn中的弱铁磁性和大反常霍尔效应。

提出的方法

• 采用基于Liechtenstein-Katsnelson-Antropov-Gubanov方法的第一性原理电子结构理论，并将其推广至非共线磁态。
• 通过线性响应理论，从自旋依赖的交换张量推导出所有双线性交换相互作用（海森堡、DM、各向异性对称）。
• 将有效交换相互作用分解为四种物理上独立的贡献：电荷流（CC）、自旋流（SC）、电荷密度（CD）和自旋密度（SD）项。
• 使用ELK代码计算总能差和磁各向异性，通过微扰处理包含SOC效应。
• 分析了在模型Mn₃Sn晶胞中，磁扭曲角θ的函数关系下交换参数（J、D、A）的角依赖性。
• 应用广义框架，分离非共线体系中自旋-轨道类似效应的相对论与非相对论贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用是否可源自无自旋-轨道耦合的非相对论性、非共线自旋结构？
• RQ2 在非共线磁体中，电荷流、自旋流、电荷密度和自旋密度机制对DM相互作用的相对贡献是什么？
• RQ3 非共线性如何影响Mn₃Sn中交换相互作用的强度和角依赖性？
• RQ4 非共线自旋结构在反常霍尔效应或自旋霍尔效应等现象中，能在多大程度上模拟或主导自旋-轨道耦合效应？
• RQ5 Mn₃Sn中的弱铁磁性是否可由非相对论机制解释，而非传统的SOC驱动机制？

主要发现

• 在Mn₃Sn中，Dzyaloshinskii-Moriya相互作用主要源于非相对论性起源，由非共线自旋结构引起，特别是通过自旋流和自旋密度贡献。
• 自旋流（SC）和自旋密度（SD）项表现出强烈的角依赖性，仅在非共线构型下非零，在共线极限下消失。
• 电荷流（CC）项在共面态下可忽略，证实其主要为SOC诱导效应，而非共线性则主导了非相对论性贡献。
• 在Mn₃Sn中，非共线自旋结构产生了显著的DM相互作用，解释了观测到的弱铁磁性，尽管晶体对称性标准理论认为其无法产生净力矩。
• 由非共线性引起的磁各向异性能计算值约为~3 μeV，与实验观测一致，且与SOC诱导的各向异性能量级相当。
• 非共线性可产生自旋流和类似自旋-轨道的效应，其在自旋电子学现象（如自旋霍尔效应和自旋弛豫机制）中可主导传统SOC效应。