Альтермагнетизм
У фізиці конденсованих середовищ альтермагнетизм — тип стійкого магнітного стану в ідеальних кристалах.[1][2][3][4][5] Альтермагнітні структури колінеарні та мають компенсовану кристалічну симетрію, що дає нульову сумарну намагніченість.[1][5][6][7] На відміну від звичайного колінеарного антиферомагнетика, іншого магнітного стану з нульовою сумарною намагніченістю, електронні зони в альтермагнетику не є виродженими за Крамерсом, а натомість залежать від хвильового вектора з урахуванням спіну.[1] Ключові експериментальні спостереження, пов'язані з цією особливістю, опубліковано 2024 року.[8][9] Припускають, що альтермагнетизм може мати застосування в галузі спінтроніки.[6][10]
В альтермагнітних матеріалах атоми утворюють регулярний візерунок із чергуванням напрямку спіну і просторової орієнтації на сусідніх магнітних ділянках у кристалі.[5][7]
Атоми з протилежним магнітним моментом в альтермагнетиках пов'язані обертовою або дзеркальною симетрією кристала.[1][5][6][7][8][9] Просторова орієнтація магнітних атомів може походити від навколишніх кліток із немагнітних атомів.[7][11] Протилежні спінові підґратки в альтермагнітному телуриді марганцю (MnTe) пов'язані поворотом спіну в поєднанні з шестиразовим поворотом кристала та трансляцією на половину елементарної комірки.[7][8] В альтермагнітному діоксиді рутенію (RuO2) протилежні спінові підгратки пов'язані чотириразовим поворотом кристала.[7][9]
Однією з особливостей альтермагнетиків є специфічна спін-розщеплена зонна структура[7], вперше експериментально виявлена та описана в праці, опублікованій 2024 року.[8] Альтермагнітна структура зон порушує симетрію обернення часу:[7][11] ( — енергія, — хвильовий вектор, — спін), як у феромагнетиках, однак, на відміну від феромагнетиків, вона не створює сумарної намагніченості. Альтермагнітна спінова поляризація чергується в просторі хвильового вектора і утворює характерні 2, 4 або 6 спін-вироджених вузлів відповідно, які відповідають параметрам порядку d-, g або i-хвилі.[7] Альтермагнетик d-хвилі можна розглядати як магнітний аналог надпровідника d-хвилі.[12]
|
Альтермагнітна спінова поляризація в зонній структурі (діаграма енергія–хвильовий вектор) колінеарна і не порушує інверсійної симетрії.[7] Альтермагнітне спінове розщеплення у хвильовому векторі рівномірне, тобто .[7][8] Таким чином, вона також відрізняється від неколінеарної спінової текстури Рашби або Дрессельгауза[en], які порушують інверсійну симетрію в нецентросиметричних немагнітних або антиферомагнітних матеріалах через спін-орбітальний зв'язок. Нетрадиційне порушення симетрії інверсії часу, гігантське спінове розщеплення ~1 еВ і аномальний ефект Холла вперше теоретично передбачено[11] й експериментально підтверджено[13] в RuO2.
Прямі експериментальні докази альтермагнітної зонної структури в напівпровідникових MnTe та металевому RuO2[en] вперше опубліковано 2024 року.[8][9] Прогнозують, що альтермагнетиками є багато інших матеріалів — від ізоляторів, напівпровідників і металів до надпровідників.[6][7] Альтермагнетизм передбачено в тривимірних та двовимірних[en] матеріалах[3][6] як із легкими, так і з важкими елементами, і його можна знайти як у нерелятивістських, так і в релятивістських зонах.[7][8][11]
Альтермагнетики виявляють незвичайне поєднання феромагнітних і антиферомагнітних властивостей, які значно більше нагадують властивості феромагнетиків.[1][5][6][7] Характерні ознаки альтермагнітних матеріалів, такі як аномальний ефект Холла[11] спостерігали раніше[13][14] (але цей ефект також зустрічається в інших магнітно компенсованих системах, таких як неколінеарні антиферомагнетики[15]). Альтермагнетики також демонструють унікальні властивості, такі як аномальні та спінові струми, які можуть змінювати знак під час обертання кристала.[16]
- ↑ а б в г д Mazin, Igor (8 грудня 2022). Altermagnetism—A New Punch Line of Fundamental Magnetism. Physical Review X (англ.). 12 (4): 040002. Bibcode:2022PhRvX..12d0002M. doi:10.1103/physrevx.12.040002.
- ↑ Mazin, Igor (8 січня 2024). Altermagnetism Then and Now. Physical Review X (англ.). 17: 4. arXiv:2105.05820. doi:10.1103/PhysRevX.12.031042.
- ↑ а б Mazin, Igor; González-Hernández, Rafael; Šmejkal, Libor (5 вересня 2023), Induced Monolayer Altermagnetism in MnP(S,Se)$_3$ and FeSe, arXiv:2309.02355
- ↑ Wilkins, Alex (14 February 2024). The existence of a new kind of magnetism has been confirmed. New Scientist (амер.). Процитовано 15 лютого 2024.
- ↑ а б в г д Savitsky, Zack (2024). Researchers discover new kind of magnetism. Science. 383 (6683): 574—575. Bibcode:2024Sci...383..574S. doi:10.1126/science.ado5309. PMID 38330121. Процитовано 16 February 2024.
- ↑ а б в г д е Šmejkal, Libor; Sinova, Jairo; Jungwirth, Tomas (8 грудня 2022). Emerging Research Landscape of Altermagnetism. Physical Review X. 12 (4): 040501. arXiv:2204.10844. Bibcode:2022PhRvX..12d0501S. doi:10.1103/PhysRevX.12.040501.
- ↑ а б в г д е ж и к л м н п р Šmejkal, Libor; Sinova, Jairo; Jungwirth, Tomas (23 вересня 2022). Altermagnetism: spin-momentum locked phase protected by non-relativistic symmetries. Physical Review X. 12 (3): 031042. arXiv:2105.05820. doi:10.1103/PhysRevX.12.031042. ISSN 2160-3308.
- ↑ а б в г д е ж Krempaský, J.; Šmejkal, L.; D’Souza, S. W.; Hajlaoui, M.; Springholz, G.; Uhlířová, K.; Alarab, F.; Constantinou, P. C.; Strocov, V. (February 2024). Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy. Nature (англ.). 626 (7999): 517—522. arXiv:2308.10681. Bibcode:2024Natur.626..517K. doi:10.1038/s41586-023-06907-7. ISSN 1476-4687. PMC 10866710. PMID 38356066.
- ↑ а б в г Fedchenko, Olena; Minár, Jan; Akashdeep, Akashdeep; D’Souza, Sunil Wilfred; Vasilyev, Dmitry; Tkach, Olena; Odenbreit, Lukas; Nguyen, Quynh; Kutnyakhov, Dmytro (2 лютого 2024). Observation of time-reversal symmetry breaking in the band structure of altermagnetic RuO 2. Science Advances (англ.). 10 (5): eadj4883. arXiv:2306.02170. Bibcode:2024SciA...10J4883F. doi:10.1126/sciadv.adj4883. ISSN 2375-2548. PMC 10830110. PMID 38295181.
- ↑ Arrell, Miriam (14 лютого 2024). Altermagnetism proves its place on the magnetic family tree. ScienceDaily (англ.). Процитовано 15 лютого 2024.
- ↑ а б в г д Šmejkal, Libor; González-Hernández, Rafael; Jungwirth, T.; Sinova, J. (5 June 2020). Crystal time-reversal symmetry breaking and spontaneous Hall effect in collinear antiferromagnets. Science Advances. 6 (23): eaaz8809. arXiv:1901.00445. Bibcode:2020SciA....6.8809S. doi:10.1126/sciadv.aaz8809. PMC 7274798. PMID 32548264.
- ↑ Šmejkal, Libor; Sinova, Jairo; Jungwirth, Tomas (23 вересня 2022). Beyond Conventional Ferromagnetism and Antiferromagnetism: A Phase with Nonrelativistic Spin and Crystal Rotation Symmetry. Physical Review X. 12 (3): 031042. arXiv:2105.05820. Bibcode:2022PhRvX..12c1042S. doi:10.1103/PhysRevX.12.031042.
- ↑ а б Feng, Zexin; Zhou, Xiaorong; Šmejkal, Libor; Wu, Lei; Zhu, Zengwei; Guo, Huixin; González-Hernández, Rafael; Wang, Xiaoning; Yan, Han (7 November 2022). An anomalous Hall effect in altermagnetic ruthenium dioxide. Nature Electronics. 5 (11): 735—743. arXiv:2002.08712. doi:10.1038/s41928-022-00866-z.
- ↑ Gonzalez Betancourt, R. D.; Zubáč, J.; Gonzalez-Hernandez, R.; Geishendorf, K.; Šobáň, Z.; Springholz, G.; Olejník, K.; Šmejkal, L.; Sinova, J. (20 January 2023). Spontaneous Anomalous Hall Effect Arising from an Unconventional Compensated Magnetic Phase in a Semiconductor. Physical Review Letters. 130 (3): 036702. arXiv:2112.06805. Bibcode:2023PhRvL.130c6702G. doi:10.1103/PhysRevLett.130.036702. PMID 36763381.
- ↑ Nakatsuji, Satoru; Kiyohara, Naoki; Higo, Tomoya (November 2015). Large anomalous Hall effect in a non-collinear antiferromagnet at room temperature. Nature. 527 (7577): 212—215. Bibcode:2015Natur.527..212N. doi:10.1038/nature15723. PMID 26524519.
- ↑ González-Hernández, Rafael; Šmejkal, Libor; Výborný, Karel; Yahagi, Yuta; Sinova, Jairo; Jungwirth, Tomáš; Železný, Jakub (26 березня 2021). Efficient Electrical Spin Splitter Based on Nonrelativistic Collinear Antiferromagnetism. Physical Review Letters (англ.). 126 (12): 127701. arXiv:2002.07073. Bibcode:2021PhRvL.126l7701G. doi:10.1103/PhysRevLett.126.127701. ISSN 0031-9007. PMID 33834809.