[论文解读] Enhanced anomalous Nernst effects in ferromagnetic materials driven by Weyl nodes

Ilias Samathrakis, Teng Long+3 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 73被引用 12

一句话总结

本研究通过在266种过渡金属基化合物中进行高通量第一性原理计算，识别出靠近费米能级的外尔节点和节点线是铁磁材料中增强异常能斯特效应的主要驱动力。通过92%成功率的自动化Wannier函数构建，作者证明了外部调控（如应变和磁场）可显著增强异常能斯特电导率，其中16种化合物的电导率超过3 A/(m·K)。

ABSTRACT

Based on high-throughput first-principles calculations, we evaluated the anomalous Hall and anomalous Nernst conductivities of 266 transition-metal-based ferromagnetic compounds. Detailed analysis based on the symmetries and Berry curvatures reveals that the origin of singular-like behaviour of anomalous Hall/Nernst conductivities can be mostly attributed to the appearance of Weyl nodes or nodal lines located in the proximity of the Fermi energy, which can be further tailored by external stimuli such as biaxial strains and magnetic fields. Moreover, such calculations are enabled by the automated construction of Wannier functions with a success rate of 92%, which paves the way to perform accurate high-throughput evaluation of the physical properties such as the transport properties using the Wannier interpolation

研究动机与目标

• 识别铁磁材料中增强异常能斯特电导率（ANC）的电子起源。
• 研究拓扑特征（如外尔节点和节点线）在增强ANC中的作用。
• 开发并验证一种基于Wannier插值的自动化高通量工作流，用于计算输运性质。
• 探索通过双轴应变和磁场等外部刺激调控ANC的潜力。
• 识别在室温下具有高ANC值的潜在热电应用候选材料。

提出的方法

• 使用VASP对335种铁磁金属间化合物进行高通量DFT计算，采用GGA-PBE泛函并包含自旋轨道耦合。
• 利用Wannier90和自研Python脚本，以92%的成功率实现最大局域化Wannier函数（MLWFs）的自动化构建。
• 通过Wanniertools在布里渊区上积分贝里曲率，计算异常霍尔电导率（AHC）。
• 通过化学势对AHC导数的能量分辨积分，评估异常能斯特电导率（ANC）。
• 基于磁洛伦兹群4/mm'm'下的对称性分析和贝里曲率变换，识别拓扑特征。
• 采用Wannier插值方法，实现在大规模化合物库中高效且精确的输运性质评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁磁材料中增强异常能斯特电导率的主要电子起源是什么？
• RQ2 靠近费米能级的外尔节点和节点线如何影响异常能斯特效应？
• RQ3 通过双轴应变和磁场等外部刺激，异常能斯特电导率的可调制程度如何？
• RQ4 自动化Wannier函数构建是否能够实现复杂磁性材料中输运性质的可靠高通量评估？
• RQ5 哪些铁磁化合物表现出ANC值超过3 A/(m·K)，显示出热电应用潜力？

主要发现

• 在BCo4Y中，异常能斯特电导率（ANC）最高达到5.83 A/(m·K)，其中16种化合物的ANC超过3 A/(m·K)，显示出强烈的热电应用潜力。
• 观测到的最大异常霍尔电导率（AHC）为2040 S/cm（在CrPt3中），超过先前报道的Rh2MnGa的-1862 S/cm。
• 靠近费米能级的外尔节点和节点线被确定为AHC中奇异行为及增强ANC的主要来源。
• 通过双轴应变和磁场进行外部调控，可有效调节AHC和ANC，实现对输运响应的动态控制。
• 自动化Wannier函数构建在266种化合物中达到92%的成功率，实现了拓扑输运性质的可扩展且精确的高通量评估。
• 与文献值相比，计算结果具有良好的一致性：Co3Sn2S2的AHC为988 S/cm（文献值为1130 S/cm），Co2VGa的AHC为140 S/cm（文献值为137 S/cm），验证了计算工作流的可靠性。