[论文解读] Microscopic Origin of Piezomagnetism in Mn$_3$Sn: A Dual Real- and $k$-Space Picture

Soichiro Kikuchi, Yuki Yanagi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2026

Chemical and Physical Properties of Materials被引用 0

一句话总结

论文给出 Mn3Sn 的压致磁效应的第一性原理分析，将应变下的实空间自旋旋转与 k-空间的电子结构及费米面变化联系起来。结果显示了费米能级附近的带分裂受应变影响而贡献于感应磁化强度。

ABSTRACT

We present a comprehensive first-principles study on the origin of the piezomagnetic effect in the non-collinear antiferromagnet Mn$_3$Sn, a material known for exhibiting a large anomalous Hall effect. We investigate strain-induced variations of electronic and magnetic states and elucidate the mechanism of the piezomagnetic effect from both real-space and momentum-space perspectives. In real space, the emergence of piezomagnetism is understood to arise from rotations of the magnetic moments at specific Mn sites, which directly couple to the strain. Through detailed electronic structure analysis, we identify the Fermi surfaces that play a crucial role in the emergence of piezomagnetism. Our results reveal that specific Fermi surface features undergo pseudo-degeneracy lifting under applied strain, which significantly contributes to the induced net magnetization. By combining these complementary real-space and momentum-space pictures, our dual-space analysis provides deep insight into the microscopic origins of strain-driven magnetization in Mn$_3$Sn.

研究动机与目标

• 阐明在不降低磁对称性的情况下，单轴应变如何在 Mn3Sn 中诱导净化磁化。
• 识别在应变作用下 Mn 位点的实空间自旋旋转贡献。
• 阐明在费米面附近的电子结构变化，尤其是费米面的变化，推动 piezomagnetism 的机理。
• 将实空间自旋动力学与能带结构位移联系起来，提供微观机制。

提出的方法

• 使用 VASP 进行 DFT 计算，采用 GGA-PBE 和自洽自旋轨道耦合（SOC）。
• 沿 x 轴施加单轴压缩应变（约 0.4%），并放松原子位置。
• 在实空间分析自旋矩，以观察 Mn 自旋的应变诱导旋转。
• 在布里渊区映射自旋分布 Sx(k)，以识别对磁化有贡献的 k-空间区域。
• 检查费米面和能带位移，将应变下的伪简并解除与磁化联系起来。
• 通过将能带特征按 Mn 位点和 d 轨道分解，连接轨道贡献与自旋重新取向。

Figure 1: Change in magnetic moments under the uniaxial pressure along $x$ -axis.

实验结果

研究问题

• RQ1 在不改变磁对称性的情况下，单轴应变如何在 Mn3Sn 中诱导净磁化的微观机制是什么？
• RQ2 应变下 Mn 原子实空间自旋旋转如何与费米面附近的电子结构变化相关？
• RQ3 费米面有哪些特征以及哪些 Mn-d 轨道特征驱动 piezomagnetic 响应？
• RQ4 在压缩下带分裂和位移如何与 Mn1–Mn2 与 Mn3–Mn6 的轨道贡献相关？
• RQ5 是否存在一个同时适用于实空间和 k-空间的双重图景，可以协调解释这类非共线反铁磁体的压应变磁化？

主要发现

• 沿 x 方向的单轴压缩使 Mn3–Mn6 的自旋分量约旋转 0.4 度，净磁化 Mx 从 0.002 增加到 0.06（文本未给出单位的隐式单位）。
• Sx(k) 在压缩下在 k-空间扩展为负区域，对磁化有显著的费米面局部贡献。
• Gamma–Z 轴附近的两个伪简并费米面被压缩分裂，在受影响区域产生更强的负 Sx(k)。
• dominated by Mn3–Mn6 的带出现 kz 积极移动（Delta kz ~ +0.0078 per），而 Mn1–Mn2 的带移动为负（Delta kz ~ -0.0027 per），解释了带分裂。
• Mn3–Mn6 主导的带显示 kz 方向的自旋极化与 d_xz 和 d_xy 轨道权重相关；Mn1/Mn2 的带变化较弱，与观察到的自旋旋转相符。
• 本研究将实空间自旋旋转与特定的 k-空间带位移联系起来，提供了 Mn3Sn 中应力引发磁化的微观图景。

Figure 2: (a) Orthorombic magnetic Brillouin zone of Mn 3 Sn. (b)-(d) Distribution of the x component of spin, $S_{x}({\bm{k}})$ , (b) before and (c) after compression, and (d) the difference between the two within the Brillouin zone of Mn 3 Sn. In Panel (a) The labeling of the high-symmetry points