[论文解读] Ruthenium dioxide RuO$_{2}$: effect of the altermagnetism on the physical properties

Andrzej Ptok|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Advanced Condensed Matter PhysicsPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文通过第一性原理DFT和紧束缚模型计算，研究了反铁磁性在RuO₂的电子结构和表面性质方面的影响。结果表明，体相态中强烈的自旋分裂（约1 eV）导致(001)和(100)表面态呈现方向依赖的自旋极化，为通过自旋分辨技术测量反铁磁性提供了可探测的谱学特征。

ABSTRACT

Ruthenium oxide with the rutile structure is one of example of altermagnets. These systems are characterized by compensated magnetic moments (typical for antiferromagnets) and strong time reversal symmetry breaking (typical for ferromagnets). However, in such cases, the electronic band structure exhibit strong spin splitting along some directions in the momentum space. Occurrence of the compensated magnetic textures allows for realization of surfaces with specific magnetization, which dependent on the surface orientation and/or its termination. Here, we study interplay between the electronic surface states and the surface magnetization. We show that the spin-resolved spectra strongly depends on a direction in reciprocal space. Such properties can be used for the experimental confirmation of the altermagnetism in RuO$_{2}$ within the spectroscopic techniques. Additionally, we show that the most modified orbitals in the system are $d_{z^{2}}$ and $d_{xy}$ orbitals of Ru. Similarly, the Ru $e_{g}$ states are most sensitive on epitaxial strain, what can suggest some link between altermagnetism and strain.

研究动机与目标

• 研究反铁磁性对RuO₂电子结构和表面态的影响。
• 确定表面取向和终止对反磁性材料中自旋极化表面态的影响。
• 识别RuO₂中反铁磁性的实验可探测谱学特征。
• 探讨外延应变通过轨道敏感性调控反铁磁性特性的机制。
• 阐明轨道特征（特别是d_{z²}和d_{xy}）与反铁磁能带分裂之间的关系。

提出的方法

• 采用GGA-PBE和DFT+U（针对Ru d轨道）的DFT方法计算电子结构和自旋分裂。
• 在VASP和Quantum ESPRESSO中使用投影缀加波（PAW）方法，以实现精确的电子结构和Wannier函数构建。
• 基于DFT结果的最局域化Wannier函数构建紧束缚模型，以分析表面态。
• 通过公式⟨s_z⟩ = -1/π lim_{η→0⁺} [σ_z G_s(k_∥, ω+iη) / A(k_∥, ω)] 计算表面格林函数和谱函数，以确定表面态的自旋极化。
• 沿(001)和(100)表面的高对称方向（如Γ–M、Γ–R）分析自旋极化谱，采用Ru终止表面。
• 比较不同表面取向的自旋极化，以识别反铁磁性导致的对称性破缺特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 RuO₂中的反铁磁性如何在自旋分辨表面电子态中体现？
• RQ2 RuO₂中表面自旋极化对表面取向和终止的依赖性如何？
• RQ3 RuO₂中强自旋分裂（约1 eV）能否作为反铁磁性的谱学指纹？
• RQ4 特定Ru d轨道（d_{z²}、d_{xy}、e_g）如何贡献于反铁磁能带结构及应变响应？
• RQ5 外延应变在调控RuO₂中反铁磁性特性方面起什么作用？

主要发现

• 在Wannier表象中，Ru d_{z²}和d_{xy}轨道的改变最为显著，表明其在反铁磁能带分裂中起主导作用。
• Ru e_g轨道对外延应变高度敏感，提示应变与RuO₂中反铁磁性之间可能存在潜在关联。
• (001)和(100)表面态的自旋极化表现出强烈的各向异性，沿某些高对称路径上自旋谱无二重旋转对称性。
• 体相能带结构中的自旋分裂约为1 eV，显著大于其他反铁磁体，有利于谱学检测。
• Ru终止的(001)和(100)表面态表现出非对称的自旋极化，沿表面法线旋转时，自旋向上与自旋向下的态发生互换，表明自旋对称性被破坏。
• 自旋极化表面谱中缺乏旋转对称性，为反铁磁性提供了直接的实验信号，可通过自旋分辨光谱技术探测。