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]

Приклад альтермагнітного впорядкування з чергуванням напрямків спінів і просторової орієнтації атомів на сусідніх ділянках кристала.

Кристалічна структура та симетрія

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(інші мови) (RuO₂) протилежні спінові підгратки пов'язані чотириразовим поворотом кристала.^[7][9]

Чергування магнітної та кристалічної картини в альтермагнітному телуриді марганцю (MnTe, ліворуч) і діоксиді рутенію(інші мови) (RuO₂, праворуч).

Електронна структура

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] ${\displaystyle E_{ks}=E_{-ks}}$ (${\displaystyle E}$ — енергія, ${\displaystyle k}$ — хвильовий вектор, ${\displaystyle s}$ — 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]

Поверхня Фермі альтермагнітного металу. Синій і червоний кольори відповідають поляризації спіну вгору і вниз. Поверхня Фермі альтермагнітного металу. Синій і червоний кольори відповідають поляризації спіну вгору і вниз.  Зонна структура альтермагнетику. Зонна структура альтермагнетику.

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 ${\displaystyle (k_{x}^{2}-k_{y}^{2})s_{z}}$.^[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.

Матеріали

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]

Властивості

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]