[论文解读] Hidden altermagnetism

San-Dong Guo|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2024

Geomagnetism and Paleomagnetism StudiesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用 3

一句话总结

本文提出了‘隐藏反常磁性’——一种在 $PT$ 对称反铁磁双层结构中出现的新物态，其中每个反演对称伙伴区域表现出局域反常磁性自旋分裂，尽管净自旋极化为零。基于 $\mathrm{Cr_2SO}$ 的第一性原理计算表明，外加电场可解除简并，实现动量依赖自旋分裂的实验探测，从而为具有隐藏自旋极化态的自旋电子学材料开辟新途径。

ABSTRACT

Hidden spin polarization (HSP) with zero net spin polarization in total but non-zero local spin polarization has been proposed in certain nonmagnetic centrosymmetric compounds, where the individual sectors forming the inversion partners are all inversion asymmetry. Here, we extend this idea to antiferromagnetic materials with $PT$ symmetry (the joint symmetry of space inversion symmetry ($P$) and time-reversal symmetry ($T$)), producing zero net spin polarization in total, but either of the two inversion-partner sectors possesses altermagnetism, giving rise to non-zero local spin polarization in the real space, dubbed "hidden altermagnetism". By first-principle calculations, we predict that $PT$-symmetric bilayer $\mathrm{Cr_2SO}$ can serve as a possible candidate showing altermagnetic HSP. By applying an external electric field to break the global $P$ symmetry, the hidden altermagnetism can be separated and observed experimentally. Our works extend the hidden physics, and will also advance the theoretical and experimental search for new type of spin-polarized materials.

研究动机与目标

• 将隐藏自旋极化（HSP）的概念扩展至具有 $PT$ 对称性的反铁磁体系。
• 识别在反演对称性下因无净磁化而存在局域反常磁性的材料。
• 提出一种利用外加电场实验探测隐藏反常磁性的方法。
• 通过第一性原理计算，证明在真实材料体系 $\mathrm{Cr_2SO}$ 中隐藏反常磁性的可行性。

提出的方法

• 建立理论框架，将隐藏反常磁性定义为具有反演对称伙伴区域的 $PT$ 对称反铁磁体中的局域反常磁性自旋分裂。
• 使用 VASP 对 $\mathrm{Cr_2SO}$ 进行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，包含自旋-轨道耦合（SOC）。
• 沿 $z$ 方向施加外电场，以破坏全局 $P$ 对称性并解除简并，从而实现自旋分裂的探测。
• 通过 $eEd$ 对自旋分裂进行解析估算，其中 $e$ 为电子电荷，$d$ 为层间距离。
• 计算磁晶各向异性能（MAE），以评估磁化的易轴方向。
• 通过分析面内磁化和自旋-轨道耦合下 $X$ 与 $Y$ 谷之间的能带分裂，评估谷极化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有零净自旋极化且具有 $PT$ 对称性的反铁磁体系中，反常磁性自旋分裂是否可以被隐藏？
• RQ2 在具有全局反演对称性的体系中，如何实验探测隐藏反常磁性？
• RQ3 外加电场在揭示此类体系中的局域反常磁性序中起什么作用？
• RQ4 所提出的 $\mathrm{Cr_2SO}$ 双层结构中自旋分裂的大小及其与电场的关系如何？
• RQ5 在包含自旋-轨道耦合时，$\mathrm{Cr_2SO}$ 的本征磁化是否能诱导谷极化？

主要发现

• 尽管净自旋极化为零，$\mathrm{Cr_2SO}$ 双层结构在每个反演对称伙伴区域中表现出非零的局域自旋极化，体现隐藏反常磁性。
• 施加 0.03 V/Å 的外电场可诱导约 203 meV 的自旋分裂，与通过 $eEd$ 得到的解析估算值 207 meV 非常接近。
• 自旋分裂随电场强度线性增加，证实可通过外部调控实现可调谐性。
• $\mathrm{Cr_2SO}$ 中的磁化方向为面内方向，磁晶各向异性能为负值，表明具有面内易轴。
• 在包含自旋-轨道耦合时，导带中 $X$ 与 $Y$ 谷之间的谷分裂为 4.0 meV，价带中为 2.0 meV。
• 反转电场方向可反转层特征与自旋分裂顺序，证实对隐藏态的可控性。