Альтермагнетизм
В конденсированного состояния физике альтермагнетизм — разновидность постоянного магнитного состояния в идеальных кристаллах . [1] [2] [3] [4] [5] Альтермагнитные структуры коллинеарны и имеют компенсацию кристаллической симметрии, что приводит к нулевой суммарной намагниченности. [1] [5] [6] [7] В отличие от обычного коллинеарного антиферромагнетика , другого магнитного состояния с нулевой суммарной намагниченностью, электронные зоны в альтермагнетике не являются вырожденными по Крамерсу , а вместо этого зависят от волнового вектора зависимым от спина образом. [1] Связанные с этой особенностью ключевые экспериментальные наблюдения были опубликованы в 2024 году. [8] [9] Было высказано предположение, что альтермагнетизм может найти применение в области спинтроники . [6] [10]
Кристаллическая структура и симметрия
[ редактировать ]В альтермагнетиках атомы образуют регулярный узор с переменным спином и пространственной ориентацией в соседних магнитных узлах кристалла. [5] [7]
Атомы с противоположным магнитным моментом находятся в альтермагнетиках, связанных вращением кристалла или зеркальной симметрией. [1] [5] [6] [7] [8] [9] Пространственная ориентация магнитных атомов может исходить из окружающих их клеток немагнитных атомов. [7] [11] Противоположные спиновые подрешетки в альтермагнитном теллуриде марганца (MnTe) связаны вращением спина в сочетании с шестикратным вращением кристалла и трансляцией полуэлементарной ячейки. [7] [8] В альтермагнитном диоксиде рутения (RuO 2 ) противоположные спиновые подрешетки связаны четырехкратным вращением кристалла. [7] [9]
Электронная структура
[ редактировать ]Одной из отличительных особенностей альтермагнетиков является специфическая спин-расщепленная зонная структура. [7] что было впервые экспериментально обнаружено в работе, опубликованной в 2024 году. [8] Альтермагнитная зонная структура нарушает симметрию обращения времени. [7] [11] E ks = E -ks ( E — энергия, k волновой вектор и s спин), как и в ферромагнетиках, однако, в отличие от ферромагнетиков, он не генерирует результирующую намагниченность. Альтермагнитная спиновая поляризация чередуется в пространстве волновых векторов и образует характерные 2, 4 или 6 спин-вырожденных узлов соответственно, которые соответствуют параметрам порядка d-, g- или i-волн. [7] Альтермагнетик d -волны можно рассматривать как магнитный аналог d -волны сверхпроводника . [12]
Поверхность Ферми альтермагнитного металла. Синий и красный цвета соответствуют верхней и нижней поляризации спина.
Зонная структура альтермагнетика.
Альтермагнитная спиновая поляризация в зонной структуре (диаграмма энергия–волновой вектор) коллинеарна и не нарушает инверсионной симметрии. [7] Альтермагнитное спиновое расщепление происходит четно по волновому вектору, т.е. (k x 2 -к да 2 ) и з . [7] [8] Таким образом, она также отличается от неколлинеарной спиновой текстуры Расбы или Дрессельхауса, которая нарушает симметрию инверсии в нецентросимметричных немагнитных или антиферромагнитных материалах из-за спин-орбитальной связи. нетрадиционное нарушение симметрии с обращением времени, гигантское спиновое расщепление ~1 эВ и аномальный эффект Холла. Впервые теоретически предсказано [11] и экспериментально подтверждено [13] в РуО 2 .
Материалы
[ редактировать ]Прямые экспериментальные доказательства альтермагнитной зонной структуры в полупроводниковом MnTe и металлическом RuO 2 были впервые опубликованы в 2024 году. [8] [9] Предполагается, что многие другие материалы будут альтермагнетиками — от изоляторов, полупроводников и металлов до сверхпроводников. [6] [7] Альтермагнетизм был предсказан в 3d и 2d материалах [3] [6] как с легкими, так и с тяжелыми элементами, и может быть обнаружен как в нерелятивистских, так и в релятивистских зонных структурах. [7] [8] [11]
Характеристики
[ редактировать ]Альтермагнетики демонстрируют необычное сочетание ферромагнитных и антиферромагнитных свойств, которые значительно больше напоминают свойства ферромагнетиков. [1] [5] [6] [7] Признаки альтермагнетиков, такие как аномальный эффект Холла. [11] наблюдались раньше [13] [14] (но этот эффект имеет место и в других магнитно-компенсированных системах, таких как неколлинеарные антиферромагнетики [15] ). Альтермагнетики также обладают уникальными свойствами, такими как аномальные и спиновые токи, которые могут менять знак при вращении кристалла. [16]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и «Альтермагнетизм — новая изюминка фундаментального магнетизма» . Физический обзор X . 08.12.2022. дои : 10.1103/physrevx.12.040002 . Проверено 2 декабря 2023 г.
- ^ Мазин, Игорь (08.01.2024). «Альтермагнетизм тогда и сейчас» . Физический обзор X . 17 : 4.arXiv : 2105.05820 . дои : 10.1103/PhysRevX.12.031042 .
- ^ Jump up to: а б Мазин Игорь; Гонсалес-Эрнандес, Рафаэль; Шмейкал, Либор (05 сентября 2023 г.), Индуцированный монослойный альтермагнетизм в MnP(S,Se)$_3$ и FeSe , arXiv : 2309.02355 , получено 15 февраля 2024 г.
- ^ Уилкинс, Алекс (14 февраля 2024 г.). «Подтверждено существование нового вида магнетизма» . Новый учёный . Проверено 15 февраля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Савицкий, Зак. «Исследователи открывают новый вид магнетизма» . Наука.орг . Проверено 16 февраля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Шмейкал, Либор; Синова, Хайро; Юнгвирт, Томас (08 декабря 2022 г.). «Новый ландшафт исследований альтермагнетизма» . Физический обзор X . 12 (4): 040501. arXiv : 2204.10844 . Бибкод : 2022PhRvX..12d0501S . дои : 10.1103/PhysRevX.12.040501 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н Шмейкал, Либор; Синова, Хайро; Юнгвирт, Томас (23 сентября 2022 г.). «Альтермагнетизм: фаза блокировки спинового импульса, защищенная нерелятивистской симметрией». Физический обзор X . 12 (3): 031042. arXiv : 2105.05820 . дои : 10.1103/PhysRevX.12.031042 . ISSN 2160-3308 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Кремпаски, Дж.; Шмейкал Л.; Д'Суза, Юго-Запад; Хайлауи, М.; Спрингхольц, Г.; Углиржова, К.; Алараб, Ф.; Константину, ПК; Строков В.; Усанов Д.; Пуделко, В.Р.; Гонсалес-Эрнандес Р.; Бирк Хелленес, А.; Янса, З.; Райхлова, Х. (февраль 2024 г.). «Альтермагнитный подъем спинового вырождения Крамерса» . Природа . 626 (7999): 517–522. arXiv : 2308.10681 . дои : 10.1038/s41586-023-06907-7 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 38356066 .
- ^ Jump up to: а б с д Федченко, Елена; Минар, Ян; Акашдип, Акашдип; Д'Суза, Сунил Уилфред; Васильев Дмитрий; Ткач, Елена; Оденбрейт, Лукас; Нгуен, Куинь; Кутняхов Дмитрий; Ветер, Нильс; Вентхаус, Лукас; Шольц, Маркус; Росснагель, Кай; Хеш, Мориц; Эшлиманн, Мартин (2 февраля 2024 г.). «Наблюдение нарушения симметрии обращения времени в зонной структуре альтермагнетика RuO 2» . Достижения науки . 10 (5): eadj4883. дои : 10.1126/sciadv.adj4883 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 10830110 . ПМИД 38295181 .
- ^ Аррелл, Мириам (14 февраля 2024 г.). «Альтермагнетизм доказывает свое место на магнитном генеалогическом древе» . ScienceDaily . Проверено 15 февраля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Шмейкал, Либор; Гонсалес-Эрнандес, Рафаэль; Юнгвирт, Т.; Синова, Дж. (5 июня 2020 г.). «Нарушение симметрии кристалла с обращением времени и спонтанный эффект Холла в коллинеарных антиферромагнетиках». Достижения науки . 6 (23). arXiv : 1901.00445 . дои : 10.1126/sciadv.aaz8809 .
- ^ Шмейкал, Либор; Синова, Хайро; Юнгвирт, Томас (23 сентября 2022 г.). «За пределами обычного ферромагнетизма и антиферромагнетизма: фаза с нерелятивистской симметрией спина и вращения кристалла» . Физический обзор X . 12 (3): 031042. arXiv : 2105.05820 . дои : 10.1103/PhysRevX.12.031042 .
- ^ Jump up to: а б Фэн, Сяорун, Либор; Чжу, Цзэнвэй; Гонсалес-Эрнандес, Рафаэль; Ян, Хань; Мэн, , Лю Ли ; arXiv : 2002.08712 . Хунъюй ; , 735–743 Чен
- ^ Гонсалес Бетанкур, доктор медицинских наук; Зубац, Дж.; Гонсалес-Эрнандес, Р.; Гейшендорф, К.; Шобан, З.; Спрингхольц, Г.; Олейник, К.; Шмейкал Л.; Синова, Дж.; Юнгвирт, Т.; Генненвайн, STB; Томас, А.; Рейхлова, Х.; Железный, Ю.; Кригнер, Д. (20 января 2023 г.). «Спонтанный аномальный эффект Холла, возникающий из-за нетрадиционной компенсированной магнитной фазы в полупроводнике». Письма о физических отзывах . 130 (3). arXiv : 2112.06805 . doi : 10.1103/PhysRevLett.130.036702 .
- ^ Накацудзи, Сатору; Киёхара, Наоки; Хиго, Томоя (ноябрь 2015 г.). «Большой аномальный эффект Холла в неколлинеарном антиферромагнетике при комнатной температуре». Природа . 527 (7577): 212–215. дои : 10.1038/nature15723 .
- ^ Гонсалес-Эрнандес, Рафаэль; Шмейкал, Либор; Отлично, Карел; Яхаги, Юта; Синова, Хайро; Юнгвирт, Томас; Железный, Якуб (26 марта 2021 г.). «Эффективный электрический спиновый расщепитель на основе нерелятивистского коллинеарного антиферромагнетизма». Письма о физических отзывах . 126 (12): 127701. arXiv : 2002.07073 . doi : 10.1103/PhysRevLett.126.127701 . ISSN 0031-9007 .