[论文解读] Induced Monolayer Altermagnetism in MnP(S,Se)$_3$ and FeSe

I. I. Mazin, Rafael González‐Hernández+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Iron-based superconductors research被引用 18

一句话总结

展示单层反铁磁 MnP(S,Se)3 和 FeSe 如何通过打破 PT 对称性（使用出平面电场、Janus化或基底）被功能化为强耦磁（altermagnets），并展示相应的磁光和拓扑特征。

ABSTRACT

Altermagnets (AM) are a recently discovered third class of collinear magnets, distinctly different from conventional ferromagnets (FM) and antiferromagnets (AF). AM have been actively researched in the last few years, but two aspects so far remain unaddressed: (1) Are there realistic 2D single-layer altermagnets? And (2) is it possible to functionalize a conventional AF into AM by external stimuli? In this paper we address both issues by demonstrating how a well-known 2D AF, MnP(S,Se)$_3$ can be functionalized into strong AM by applying out-of-plane electric field. Of particular interest is that the induced altermagnetism is of a higher even-parity wave symmetry than expected in 3D AM with similar crystal symmetries. We confirm our finding by first-principles calculations of the electronic structure and magnetooptical response. We also propose that recent observations of the time-reversal symmetry breaking in the famous Fe-based superconducting chalchogenides, either in monolayer form or in the surface layer, may be related not to an FM, as previously assumed, but to the induced 2D AM order. Finally, we show that monolayer FeSe can simultaneously exhibit unconventional altermagnetic time-reversal symmetry breaking and quantized spin Hall conductivity indicating possibility to research an intriquing interplay of 2D altermagnetism with topological and superconducting states within a common crystal-potential environment.

研究动机与目标

• 探索是否可以通过外部对称性破坏从二维反铁磁材料中创建现实可实现的二维 altermagnets。
• 展示可使 MnP(S,Se)3 和 FeSe 单层获得 altermagnetic 顺序的功能化路径（电场、Janus化、基底效应）。
• 表征所产生的自旋分裂对称性及其磁光响应。
• 评估与 Fe 基超导体中的时间反演对称性破缺观测以及 FeSe 中的拓扑特征的潜在联系。
• 为诱导的 altermagnetic 状态及其可观测后果提供第一性原理支持。

提出的方法

• 使用 VASP 进行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，并与 WIEN2k 进行比较。
• 对交换相关使用 GGA-PBE + DFT+U 来处理 Mn（U_eff ≈ 4 eV）并对 FeSe 采用适度的 U，以模拟实验费米面作图。
• 包含自旋轨道耦合以评估带结构分裂和磁光响应。
• 使用 Wannier90 构建紧束缚表示以评估自旋霍尔导电率。
• 进行对称性分析以识别 altermagnetic 自旋通道和在 2D 中可能的 d- 或 i 波形。
• 计算磁光克尔效应（MOKE）和自旋霍尔导电率，以将 altermagnetic 有序与可观测信号联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过破坏 PT 对称性同时保留 altermagnetic 镜像对称性，能否从单层反铁磁材料实现现实可行的二维 altermagnets？
• RQ2 哪些实际路径（电场门控、化学 Janus 化、基底界面）能够在 MnP(S,Se)3 和 FeSe 单层中诱导 altermagnetic 有序？
• RQ3 这些二维系统中 altermagnetic 自旋分裂的对称特征及角依赖性是什么？
• RQ4 诱导的 altermagnets 是否表现出可观测的磁光响应和拓扑传输，如量子化的自旋霍尔导电率？
• RQ5 在 FeSe 基表面观测到的时间反演对称性破缺信号是否可以用诱导的 altermagnetism 来解释，而非铁磁性？

主要发现

• 电场门控可在 MnPSe3 中诱导强自旋分裂的 altermagnetic 效应，约 ~25 meV，打破 PT 对称性的同时保持镜像对称性。
• Janus 化（顶/底配体不等价）产生具有可观 Kerr 旋转的 altermagnetic 能带结构，最大 Kerr 角约达到 0.4 度。
• 单层 FeSe 能承载 dx2−y2 型的 altermagnetic 自旋分裂，SOC 在 M 点打开拓扑非平凡带隙，产生量子化的自旋霍尔导电率平台。
• 在 SrTiO3 基底上的 FeSe 单层，或表面效应，可以在不提出铁磁性的情况下解释 EELS 和 MOKE 实验中观察到的时间反演对称性破缺信号。
• FeSe 中的 2D altermagnetism 与量子自旋霍尔情景相容，表明在共同的晶体势环境下，altermagnetism、拓扑与超导性之间存在相互作用。
• 该工作将诱导的 altermagnetism 与 Fe 基超导体中观察到的 TRS 破缺现象联系起来，并提出在 2D 中探索 altermagnetic 拓扑的实际平台。