[论文解读] Fermiology and transport properties of the half-metallic itinerant ferromagnet CoS$_2$: influence of spin orbit coupling

A. Piñeiro, Botana, A. S.+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2010

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 37被引用 7

一句话总结

本研究探讨了半金属性铁磁体CoS₂的电子结构与输运性质，表明自旋-轨道耦合（SOC）通过在费米能级引入少数自旋态，削弱了其半金属性。尽管如此，SOC仅导致电导率降低几个百分点，与实验观测到的负磁阻现象一致，表明即使存在SOC效应，其自旋极化仍具有较强的鲁棒性。

ABSTRACT

Electronic structure calculations were performed on the compound CoS$_2$, an itinerant ferromagnet whose magnetic properties can be understood in terms of spin fluctuation theory. We have identified nesting features in the Fermi surface of the compound, active for long wavelength spin fluctuations. The electronic structure of the material is close to a half-metal. We show the importance of introducing spin-orbit coupling (SOC) in the calculations, that partially destroys the half-metallicity of the material. By means of transport properties calculations, we have quantified the influence of SOC in the conductivity at room temperature, with an important decrease comparing to the GGA alone conductivity. SOC also helps to understand the negative 0 of the material, whose conductivity varies by a few percent with the introduction of small perturbations in the states around the Fermi level.

研究动机与目标

• 理解自旋-轨道耦合（SOC）在破坏CoS₂半金属性中的作用。
• 研究费米面嵌套对自旋涨落驱动的巡游铁磁性的影响。
• 利用输运计算量化SOC对电导率和磁阻的影响。
• 调和理论预测与实验观测到的CoS₂负磁阻现象之间的关系。
• 评估仅使用GGA是否足以准确描述输运性质，或SOC是否对真实建模至关重要。

提出的方法

• 使用wien2k代码结合广义梯度近似（GGA）执行密度泛函理论（DFT）计算。
• 在DFT计算中引入自旋-轨道耦合（SOC），以评估其对电子结构和半金属性的影响。
• 利用嵌套矢量分析费米面嵌套特性，以识别长波长自旋涨落。
• 通过玻尔兹曼输运理论计算自旋分辨电导率，以评估自旋极化和SOC效应。
• 从9 T和0 T磁场下的电阻率数据计算磁阻比 MR = 100(ρ₉ₜ − ρ₀ₜ)/ρ₀ₜ。
• 对比GGA与GGA+SOC结果，量化电导率的相对变化（P_SOC = (σ_noSOC − σ_SOC)/(σ_noSOC + σ_SOC)）。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋-轨道耦合如何影响CoS₂的半金属性？
• RQ2 SOC对室温下CoS₂电导率的定量影响是什么？
• RQ3 费米面嵌套特性如何与该巡游铁磁体中的自旋涨落机制相关联？
• RQ4 为何CoS₂在自旋极化不完全的情况下仍表现出负磁阻？
• RQ5 与GGA+SOC相比，仅使用GGA在多大程度上能准确描述CoS₂的输运性质？

主要发现

• 自旋-轨道耦合（SOC）通过在费米能级引入非零的少数自旋态，部分破坏了CoS₂的半金属性。
• 仅使用GGA计算的电导率高于GGA+SOC计算结果，表明SOC导致电导率降低约几个百分点。
• 在室温下，自旋向上电导率占总电导率的99.8%，而自旋向下仅占0.2%，表明具有极高的自旋极化。
• 计算得到的P_SOC参数表明，GGA单独预测的导电性优于GGA+SOC，证实引入SOC后电阻率上升。
• 在Tc = 122 K以下的铁磁相中，观测到−3%至−9%的负磁阻，与高但不完全的自旋极化一致。
• 实验磁阻行为可通过强自旋极化与小量SOC诱导的少数态混杂的共同作用来解释。