新規キラル非共線アルターマグネットにおけるスピンホール効果とエーデルシュタイン効果

Core Concepts

キラルな結晶構造を持つ非共線アルターマグネット材料は、スピン軌道相互作用（SOC）の非存在下でも、大きなスピンホール効果とエーデルシュタイン効果を示す可能性がある。

Abstract

書誌情報
Hu, M., Janson, O., Felser, C., McClarty, P., van den Brink, J., & Vergniory, M. G. (2024). Spin Hall and Edelstein Effects in Novel Chiral Noncollinear Altermagnets. arXiv preprint arXiv:2410.17993.
研究目的
本研究は、キラルな結晶構造を持つ非共線アルターマグネット材料における、スピン軌道相互作用（SOC）非存在下でのスピンホール効果とエーデルシュタイン効果の予測を目的とする。
方法
研究は、密度汎関数理論（DFT）計算と、Mn3IrSiをモデルとした強束縛模型を用いて行われた。スピンホール効果とエーデルシュタイン効果は、線形応答理論に基づいて計算された。
主な結果

キラル非共線アルターマグネット材料は、SOCの非存在下でも、大きなスピンホール効果とエーデルシュタイン効果を示すことが予測された。
これらの効果は、材料のフェルミ面におけるスピン構造に起因するスピン運動量ロッキング機構によって生じる。
Mn3IrSiは、これらの効果を観測するための有望な候補材料として同定された。
結論
本研究は、キラル非共線アルターマグネット材料が、SOCに依存しない新規なスピントロニクスデバイスの開発に有望であることを示唆している。
意義
本研究は、スピントロニクス分野における新しい研究領域を開拓するものである。従来のスピントロニクスデバイスは、SOCに大きく依存していたが、本研究は、SOCに依存しないスピントロニクスデバイスの実現可能性を示唆している。
限界と今後の研究
本研究は、ゼロ温度における理論計算に基づいている。今後の研究では、有限温度における効果や、他のキラル非共線アルターマグネット材料における効果を調べる必要がある。

Stats

Mn3IrSiのスピンホール伝導率は、約102 (ħ/e) S/cmと計算された。
Mn3IrSiのエーデルシュタイン効果の値は、約-2 × 10^-10 ħ m/Vと計算された。

Key Insights Distilled From

Spin Hall and Edelstein Effects in Novel Chiral Noncollinear Altermagnets

by Mengli Hu, O... at arxiv.org 10-24-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.17993.pdf

Deeper Inquiries

キラル非共線アルターマグネットにおけるスピンホール効果とエーデルシュタイン効果は、デバイス応用においてどのような利点をもたらすか？

キラル非共線アルターマグネットにおけるスピンホール効果とエーデルシュタイン効果は、従来のスピントロニクスデバイスに比べて以下の様な利点をもたらします。

高い効率性: キラル非共線アルターマグネットでは、スピン軌道相互作用(SOC)に依存せず、交換相互作用というより強い相互作用によってスピン流が生成されます。これは、従来の材料よりも大きなスピンホール伝導度とエーデルシュタイン効果をもたらし、より効率的なスピン電流生成とスピン蓄積が可能になることを意味します。
低消費電力: 従来のスピントロニクスデバイスは、大きな電流密度を必要とするため、消費電力が大きいという課題がありました。一方、キラル非共線アルターマグネットを用いたデバイスでは、より少ないエネルギーでスピン操作が可能になるため、低消費電力化が期待できます。
高速動作: キラル非共線アルターマグネットは、反強磁性体と同様にテラヘルツ領域の高速スピンダイナミクスを示す可能性があります。これは、従来の強磁性体ベースのデバイスよりも高速なスピン操作や情報処理の実現につながる可能性があります。
新しい機能性: キラル非共線アルターマグネットにおけるスピンホール効果とエーデルシュタイン効果は、スピン軌道トルクや磁気抵抗効果などの他のスピン依存性現象と組み合わせて、全く新しい機能を持つスピントロニクスデバイスの開発につながる可能性を秘めています。
これらの利点により、キラル非共線アルターマグネットは、次世代の低消費電力、高速、高密度なスピントロニクスデバイスの実現に向けて、非常に有望な材料と言えるでしょう。

SOCが存在する場合、これらの効果はどのように変化するか？

本文中では、Mn3IrSiを例に挙げ、SOCの有無にかかわらずバンド構造やスピンテクスチャに大きな変化がないことが示されています。これは、イリジウムのような重い元素が存在するにもかかわらず、SOCがこれらの物質の電子構造やスピンテクスチャに与える影響は限定的であることを示唆しています。
SOCが存在する場合、一般的には以下のような変化が考えられます。

スピンホール伝導度とエーデルシュタイン長の変化: SOCは、電子の運動方向とスピンの方向を結びつけるため、スピンホール伝導度とエーデルシュタイン長の値に変化が生じる可能性があります。しかし、キラル非共線アルターマグネットの場合、SOCの効果は限定的であるため、これらの変化は比較的小さいと予想されます。
異方性の出現: SOCは結晶の異方性を反映するため、スピンホール効果とエーデルシュタイン効果に異方性が現れる可能性があります。
新しいスピン依存性現象の発現: SOCは、スピン軌道トルクや異方的磁気抵抗効果など、新しいスピン依存性現象の発現をもたらす可能性があります。
キラル非共線アルターマグネットにおけるSOCの影響を詳細に理解するためには、さらなる理論的・実験的研究が必要となります。

これらの現象を説明する新しい物理概念は何か？

これらの現象を説明する新しい物理概念は、カイラリティと非共線的アルターマグネティズムの組み合わせです。

カイラリティ: キラリティとは、鏡像対称性を持たない、つまり右手系と左手系が区別される性質を指します。キラルな結晶構造を持つ物質は、空間反転対称性が破れているため、スピン軌道相互作用とは異なる機構でスピンの縮退が解ける可能性があります。
非共線的アルターマグネティズム: アルターマグネティズムとは、正味の磁化がゼロであるにもかかわらず、フェリ磁性体や反強磁性体とは異なり、電子バンド構造にスピン分裂が生じる磁気秩序状態を指します。従来、アルターマグネティズムは共線的なスピン配置を持つ物質で議論されてきましたが、近年、非共線的なスピン配置を持つ物質でもアルターマグネティズムが存在する可能性が指摘されています。
キラル非共線アルターマグネットでは、カイラリティと非共線的アルターマグネティズムの相互作用により、空間的に奇数の多極子成分（例えば、ヘッジホッグ型のスピンテクスチャ）が許容されます。この結果、SOCが存在しなくても、スピンホール効果やエーデルシュタイン効果などの興味深い輸送現象が発現します。
従来のスピントロニクスでは、SOCがスピン流生成の主要なメカニズムでしたが、キラル非共線アルターマグネットは、SOCに依存しない新しいスピン流生成機構を提供します。これは、スピントロニクスの分野に新たな可能性をもたらすものであり、今後の発展が期待されます。