[论文解读] Emerging research landscape of altermagnetism

Libor Šmejkal, Jairo Sinova+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2022

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 45

一句话总结

此 Perspective 介绍 altermagnetism，一种具有被抵消的反平行序的第三种磁相，以及在动量空间自旋分裂方面的特征，并综述其对称性基础、材料候选者及在凝聚态物理中的潜在影响。

ABSTRACT

Magnetism is one of the largest, most fundamental, and technologically most relevant fields of condensed-matter physics. Traditionally, two basic magnetic phases have been considered -- ferromagnetism and antiferromagnetism. The breaking of the time-reversal symmetry and spin splitting of the electronic states by the magnetization in ferromagnets underpins a range of macroscopic responses in this extensively explored and exploited type of magnets. By comparison, antiferromagnets have vanishing net magnetization. This Perspective reflects on recent observations of materials hosting an intriguing ferromagnetic-antiferromagnetic dichotomy, in which spin-split spectra and macroscopic observables, akin to ferromagnets, are accompanied by antiparallel magnetic order with vanishing magnetization, typical of antiferromagnets. An unconventional non-relativistic symmetry-group formalism offers a resolution of this apparent contradiction by delimiting a third basic magnetic phase, dubbed altermagnetism. Our Perspective starts with an overview of the still emerging unique phenomenology of the phase, and of the wide array of altermagnetic material candidates. In the main part of the article, we illustrate how altermagnetism can enrich our understanding of overarching condensed-matter physics concepts, and have impact on prominent condensed-matter research areas.

研究动机与目标

• 总结 altermagnetism 作为超过铁磁与反铁磁的独立磁性相的出现及表型特征。
• 概述定义 altermagnetism 的非相对论性自旋群对称性框架及其对自旋分裂带特征的保护作用。
• 鉴定材料候选者及来自第一性原理的支持 altermagnetic 自旋分裂的证据。
• 讨论与关键凝聚态物理概念（克莱默斯定理、贝里相、准粒子）之间的联系及对自旋电子学、超导性等研究领域的影响。

提出的方法

• 描述非相对论性自旋群对称性，作为相对于相对论性磁群的推广。
• 解释由旋转连接的反自旋子晶格变换如何产生 altermagnetic 秩序。
• 给出在晶体结构和第一性原理数据中识别 altermagnets 的规则。
• 综述跨维度、导电类型的预测与已识别的 altermagnetic 材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自旋分裂及对称性方面，altermagnetism 与铁磁性和传统反铁磁性有何区别？
• RQ2 非相对论性自旋群对称性如何在保持零净磁化的同时保护动量空间自旋分裂？
• RQ3 有哪些具有代表性的材料候选者及其预测或观测到的自旋分裂幅度？
• RQ4 altermagnetism 如何影响更广泛的凝聚态物理概念及自旋电子学、热电等应用领域？

主要发现

• Altermagnetism 在具有被抵消的反平行序的材料中表现出自旋分裂、时间反演对称性被破坏且净磁矩为零的带结构。
• 位于布里渊区部分区域的自旋分裂在 altermagnets 中强烈依赖动量，并且在某些高对称线/曲面上达到与铁磁体相当的幅度（例如 RuO2 中约 ~1 eV）。
• 非相对论性自旋群对称性提供了一个稳健的框架来分类和描述 altermagnetic 相，将其与铁磁体与传统反铁磁体区分开。
• 自旋向上与自旋向下的费米面区域虽各向异性，但等量填充，在某些高对称线或表面上保持自旋简并。
• 第一性原理计算表明在若干材料中，altermagnetic 自旋分裂在不强依赖相对论性自旋轨道耦合的情况下仍然存在，并在相关性效应下也能成立。
• 多种材料候选者覆盖二维/三维、从绝缘体到金属、以及不同化学成分，被预测包含 altermagnetism 的材料，包括 RuO2、Mn5Si3、CrSb、MnTe、La2CuO4 等（见表 3）。