超越反鐵磁性：探索鈣鈦礦結構中的非相對論性自旋分裂與反常霍爾效應

核心概念

本文探討了鈣鈦礦材料中一種稱為「非相對論性自旋分裂」的現象，以及其如何導致自旋電流產生和反常霍爾效應。

摘要

鈣鈦礦結構與模型

• 鈣鈦礦結構由共角的 BX6 八面體構成三維框架，A 離子則佔據間隙位置。
• 鈣鈦礦材料中常見的 GdFeO3 型旋轉畸變是導致其成為反鐵磁性的重要結構特徵。
• 多軌道 Hubbard 模型被廣泛用於描述鈣鈦礦的電子態，該模型包含電子躍遷、庫侖交互作用和自旋軌道耦合效應。

C 型反鐵磁態

• C 型反鐵磁態中，自旋在平面內反平行排列，而在平面間則平行排列。
• 在沒有自旋軌道耦合的情況下，自旋方向不固定，可以任意排列。
• 當存在自旋軌道耦合時，自旋會指向特定方向，並可能出現輕微傾斜。

自旋電流產生與自旋分裂

• 在 C 型反鐵磁金屬態中，由於 GdFeO3 型畸變導致的亞晶格依賴性各向異性電子躍遷，能帶結構中出現非相對論性自旋分裂。
• 自旋分裂導致自旋電流的產生，其特點是在外加電場下具有對稱的電導率張量。
• 自旋電流的產生是一種耗散現象，其溫度變化預計與縱向電導率的變化一致。

反常霍爾效應

• 當考慮相對論性自旋軌道耦合時，在傾斜的反鐵磁態中會出現反常霍爾效應。
• 最近鄰和次近鄰電子躍遷對產生淨虛擬磁場起著重要作用。
• 儘管反常霍爾效應出現在垂直於弱鐵磁矩的平面內，但其本質是 GdFeO3 結構上的共線反鐵磁分量，該分量與鐵磁性具有相同的對稱性。

候選材料與未來展望

• 許多鈣鈦礦材料，如 CaCrO3、AVO3（A = La-Y）、RxA1-xMnO3、ATiO3、AFeO3 等，被預測具有反鐵磁性，並可能表現出自旋電流產生和反常霍爾效應。
• 對這些材料的進一步實驗研究將有助於驗證理論預測，並探索其在自旋電子學等領域的應用潛力。

統計資料

在 (3d)2 情況下，C 型反鐵磁態在 U-φ 相圖的廣泛參數範圍內最為穩定。
在沒有 GdFeO3 型畸變 (φ = 0) 的情況下，隨著 U 的增加，系統會經歷從順磁金屬態到 C 型反鐵磁金屬態，再到 C 型反鐵磁絕緣態的連續相變。
在 C 型反鐵磁金屬態中，自旋電流電導率 χxy 在 φ = 0 時恆為零，而在存在 GdFeO3 型畸變時變為非零。
在 Cy 相中，當 φ = 25° 時，直流霍爾電導率 σyz 隨 U 的增加而增加。

引述

"Altermagnets refer to magnetic materials which appear to be conventional collinear N´eel-type antiferromagnets but actually break the time-reversal (TR) symmetry due to the lattice structure behind the antiferromagnetic (AFM) order."
"A notable property of altermagnets is the non-relativistic spin splitting appearing in their band structure, resulting in a novel mechanism of spin current generation."
"Another feature of altermagnets is the anomalous Hall effect (AHE) [...] which is a relativistic effect based on the SOC."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Altermagnetic Perovskites

by Makoto Naka,... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11025.pdf

深入探究

除了自旋電流產生和反常霍爾效應之外，鈣鈦礦材料中的非相對論性自旋分裂還可能導致哪些其他有趣的物理現象？

除了自旋電流產生和反常霍爾效應之外，鈣鈦礦材料中的非相對論性自旋分裂還可能導致以下有趣的物理現象：

自旋電荷轉換： 非相對論性自旋分裂可以導致自旋流動積累電荷，反之亦然，這種現象稱為自旋電荷轉換。這為電控自旋或自旋控電提供了可能性，可用於開發新型的自旋電子器件。
自旋Nernst效應： 在存在溫度梯度的非相對論性自旋分裂材料中，可以觀察到自旋Nernst效應，即產生垂直於溫度梯度的自旋電流。這為利用熱能產生和控制自旋提供了新的途徑，可用於開發自旋熱電器件。
磁光效應： 非相對論性自旋分裂會影響材料的光學性質，例如改變光的偏振狀態或吸收光譜。這為利用光學手段探測和操控自旋提供了可能性，可用於開發新型的光學器件。
磁電阻效應： 非相對論性自旋分裂會影響材料的電阻，例如在施加磁場時電阻會發生變化。這為開發新型的磁傳感器和磁存储器提供了可能性。
需要注意的是，這些現象的出現取決於材料的具體性質，例如晶體結構、電子結構和磁性。

如果鈣鈦礦材料中不存在 GdFeO3 型畸變，是否還會有其他機制可以導致非相對論性自旋分裂和相關現象？

如果鈣鈦礦材料中不存在 GdFeO3 型畸變，其他機制仍然可能導致非相對論性自旋分裂和相關現象，例如：

其他類型的晶格畸變： 除了 GdFeO3 型畸變外，其他類型的晶格畸變，例如 Jahn-Teller 畸變，也可以破壞晶體對稱性，導致非相對論性自旋分裂。
界面效應： 在異質結構中，不同材料之間的界面可以破壞晶體對稱性，導致非相對論性自旋分裂。
自旋-軌道耦合效應： 即使在沒有晶格畸變的情況下，自旋-軌道耦合效應本身也可以在某些材料中導致非相對論性自旋分裂，例如在具有特殊對稱性的表面或界面上。
需要注意的是，這些機制導致的非相對論性自旋分裂可能比 GdFeO3 型畸變導致的要弱，並且相關現象的觀測也更加困難。

如何利用鈣鈦礦材料中的非相對論性自旋分裂現象來設計新型的自旋電子器件，例如低功耗存储器或逻辑电路？

利用鈣鈦礦材料中的非相對論性自旋分裂現象，可以設計新型的自旋電子器件，例如低功耗存储器或逻辑电路，以下是幾個可能的思路：

自旋電流晶體管： 利用非相對論性自旋分裂產生的自旋電流來控制晶體管的開關狀態，可以實現低功耗的自旋電流晶體管。
自旋軌道扭矩磁阻式存储器 (SOT-MRAM)： 利用非相對論性自旋分裂增強自旋軌道扭矩效應，可以降低 SOT-MRAM 的寫入電流，實現低功耗的存储器。
自旋邏輯電路： 利用非相對論性自旋分裂實現自旋邏輯門，例如 AND、OR、NOT 門，可以構建低功耗的自旋邏輯電路。
以下是一些具體的設計方案：

利用自旋電流產生和自旋電荷轉換效應： 可以設計一種基於鈣鈦礦材料的自旋電流晶體管，通過電場控制自旋電流的產生和方向，進而控制晶體管的開關狀態。
利用自旋Nernst效應： 可以設計一種基於鈣鈦礦材料的自旋熱電發電機，利用溫度梯度產生自旋電流，並通過自旋電荷轉換效應將其轉換為電流。
利用磁光效應： 可以設計一種基於鈣鈦礦材料的光控自旋開關，利用光照射改變材料的自旋狀態，進而控制電流的通過。
需要注意的是，這些設計方案目前還處於概念階段，需要克服許多技術挑戰才能實現。例如，需要找到具有高自旋電流產生效率、高自旋電荷轉換效率和高磁光效應的鈣鈦礦材料，並且需要開發相應的器件製備工藝。