[论文解读] P-wave magnets

Anna Birk Hellenes, T. Jungwirth+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2023

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在非中心对称晶体中具有非共面磁序的新型交换自旋-轨道耦合机制，导致非传统p波磁性并产生高达数百meV的巨大自旋分裂。与传统的基于狄拉克的自旋-轨道耦合不同，该机制源于磁交换相互作用，可在无需重元素的情况下实现稳健的p波自旋-动量锁定。该机制在反钙钛矿材料Ce₃InN和Mn₃GaN中具有预测实现的可能性。

ABSTRACT

The p-wave Cooper-pairing instability in superfluid $^{3}$He, characterized by a parity-breaking excitation gap, is regarded as one of the most rich and complex phenomena in physics. The possibility of a counterpart unconventional p-wave ordering of interacting fermions, in which a Fermi surface spontaneously breaks the parity symmetry, has been an open problem for many decades. Here we identify the realization of the counterpart of p-wave superfluidity in magnetism. We demonstrate a strong parity-breaking and anisotropic symmetry lowering of spin-polarized and time-reversal symmetric Fermi surfaces in a representative p-wave magnet CeNiAsO. As a direct experimental signature we predict a large spontaneous anisotropy of the resistivity. Abundant and robust realizations of the unconventional p-wave magnetism can be identified from suitable non-relativistic crystal-lattice and spin symmetries, without requiring strong correlations and extreme external conditions. This opens new prospects in fields ranging from topological phenomena to spintronics.

研究动机与目标

• 识别一种绕过对重、相对论性元素依赖的新自旋-轨道耦合机制。
• 解决在凝聚 matter 系统中实现大尺度、非相对论性自旋-轨道耦合的长期挑战。
• 证明非传统p波磁序的存在，作为He-3中p波超流体的磁性对应物。
• 预测通过交换驱动的自旋-轨道耦合表现出巨大自旋分裂的现实材料候选。
• 建立p波磁性作为一类独立磁序的框架，与s波铁磁体和d波反磁体互补。

提出的方法

• 采用含磁矩约束的密度泛函理论（DFT）计算，以稳定非共面自旋纹理。
• 自洽计算使用4×4×7的k空间网格，费米面计算使用9×9×13的k空间网格，以解析自旋分裂能带。
• 采用600 eV的截断能，并包含136–176个能带，以确保电子结构计算的收敛性。
• 通过能量惩罚权重（λ = 2–3 eV）实施磁矩约束，以强制实现期望的自旋构型。
• 使用PyProcar 5.6.6计算自旋极化费米面，以可视化动量依赖的自旋分裂。
• 围绕Γ点分析能带色散，以确认p波序所特有的线性、反对称自旋分裂特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 非相对论性、交换驱动的自旋-轨道耦合机制是否可在无需重元素的情况下产生大自旋分裂？
• RQ2 何种磁序特性支持非中心对称晶体中p波自旋-动量锁定？
• RQ3 现实材料是否可容纳由交换诱导的p波磁性，并具备实验可探测的自旋分裂？
• RQ4 交换自旋-轨道耦合与传统基于狄拉克的自旋-轨道耦合在对称性和能带结构上有何不同？
• RQ5 p波磁性对拓扑自旋电子学和无耗散输运具有何种意义？

主要发现

• 识别出一种源于非中心对称晶体中非共面自旋序下磁交换相互作用的新自旋-轨道耦合机制。
• 该机制导致一种具有反对称、时间反演不变自旋极化的p波磁相，类似于He-3中的p波超流体。
• 识别出A型和B型交换自旋-轨道耦合，其区别在于自旋分裂是否出现在一个或两个费米面上。
• 在Ce₃InN和Mn₃GaN中预测到高达数百meV的巨大自旋分裂，远超典型的狄拉克型自旋-轨道耦合。
• Γ点附近的线性能带色散证实了稳健的p波自旋-动量锁定，适用于拓扑和自旋电子学应用。
• 所预测的材料基于轻元素，为自旋电子学和量子电子学中基于重元素的自旋-轨道系统提供了可行替代方案。