Тепловой транспорт кристаллов в альтермагнетике диоксиде рубидия
Альтермагнетики обладают уникальным сочетанием магнитных характеристик, они напоминают антиферромагнетики с нулевой суммарной намагниченностью и ферромагнетики с нерелятивистским спиновым расщеплением. В альтермагнетиках коллинеарный антипараллельный магнитный порядок сочетается с нерелятивистским спиновым расщеплением, что приводит к нулевой суммарной намагниченности, аналогичной динамике антиферромагнетиков и ферромагнитного спина одновременно. Поскольку материал испытывает разницу температур по своим размерам, это приводит к появлению напряжения, перпендикулярного как градиенту температуры, так и магнитному полю. Это явление показывает, что магнитные свойства материала влияют на его реакцию относительно температуры. Кристаллический тепловой эффект Холла демонстрирует значительные изменения в зависимости от направления вектора Нееля.
Кристаллический тепловой транспорт в альтермагнетиках. Левая часть, включающая шары, стрелки и изоповерхности спиновой плотности, представляет собой типичный альтермагнетик. Когда применяется поле температурного градиента, зарядовые и тепловые токи индуцируются в перпендикулярном направлении, иллюстрируя тепловой перенос кристалла, как показано в правой части.
Фото: Чжоу и др./ Physical Review Letters . DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.056701.
В новом исследовании ученые изучили недавно открытый класс альтермагнетиков на предмет их тепловых свойств, предлагая понимание отличительной природы альтермагнетиков для спин-калоритронных приложений.
Магнетизм — старая и хорошо изученная тема, которая может найти применение во многих приложениях, например, в двигателях и трансформаторах. Однако изучаются и открываются новые магнитные материалы и явления, одним из которых являются альтермагнетики.
Альтермагнетики обладают уникальным сочетанием магнитных характеристик, отличающим их от обычных магнитных материалов, таких как ферромагнетики и антиферромагнетики. Эти материалы обладают свойствами, наблюдаемыми как у ферромагнетиков, так и у антиферромагнетиков, что делает их изучение заманчивым.
Текущее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, посвящено термическим свойствам альтермагнетиков. Его возглавляли профессор Ваньсян Фэн и профессор Югуй Яо из Пекинского технологического института.
Говоря о своей мотивации к исследованию альтермагнетиков, профессор Фэн рассказал Phys.org: «Магнетизм — древняя и увлекательная тема в физике твердого тела. Исследуя неколлинеарные магниты в течение последних десятилетий, мы столкнулись с новым типом коллинеарных магнитов, альтермагнит».
Профессор Яо добавил: «Обладая двойной природой, напоминающей ферромагнетики и антиферромагнетики, альтермагнетики заинтриговали нас потенциалом новых физических эффектов. Наша мотивация проистекала из желания понять и раскрыть уникальные свойства этих магнитных материалов».
Возникновение магнетизма
Магнитные свойства возникают из поведения атомов, особенно из расположения и движения электронов внутри материала.
«В магнитных материалах из-за обменного взаимодействия между атомами спиновые магнитные моменты располагаются параллельно или антипараллельно, образуя наиболее распространенные ферромагнетики и антиферромагнетики соответственно, которые изучаются уже более века», — пояснил профессор Фэн.
Альтермагнетики бросают вызов общепринятым нормам, воплощая двойную природу: они напоминают антиферромагнетики с нулевой суммарной намагниченностью и ферромагнетики с нерелятивистским спиновым расщеплением.
В альтермагнетиках коллинеарный антипараллельный магнитный порядок сочетается с нерелятивистским спиновым расщеплением, что приводит к нулевой суммарной намагниченности, аналогичной динамике антиферромагнетиков и ферромагнитного спина одновременно.
Это уникальное поведение возникает в результате сложного взаимодействия атомов внутри кристаллической структуры. Например, диоксид рутения, объект данного исследования, демонстрирует спиновое вырождение, индуцированное немагнитными атомами кислорода, нарушая пространственную и временную симметрию. Это приводит к уникальным магнитным свойствам материала.
Кроме того, альтермагнетики обладают уникальной спиновой поляризацией. Термин «спиновая поляризация» означает, что преобладание спинов электронов имеет тенденцию ориентироваться в определенном направлении.
Спиновая поляризация примечательна в альтермагнетиках, поскольку она возникает в физическом расположении атомов (реальное пространство) и в пространстве импульсов, где рассматривается распределение электронных спинов в материале.
Эффекты Нернста и Холла
Исследователи сосредоточились на изучении возникновения кристаллических эффектов Нернста и кристаллических тепловых эффектов Холла в диоксиде рубидия (RuO2), выбранном в качестве наглядного представителя альтермагнетизма.
Кристаллический эффект Нернста (CNE), наблюдаемый в альтермагнетиках, является результатом их особой магнитной природы. Проще говоря, поскольку материал испытывает разницу температур по своим размерам, это приводит к появлению напряжения, перпендикулярного как градиенту температуры, так и магнитному полю. Это явление показывает, что магнитные свойства материала влияют на его реакцию на изменения температуры, что дает понимание сложной связи между тепловым и магнитным поведением в альтермагнетиках.
В альтермагнетиках на этот эффект существенно влияет направление вектора Нееля, который представляет собой направление, где выравниваются соседние магнитные моменты. Это добавляет дополнительный уровень сложности к тепловому отклику.
Точно так же кристаллический тепловой эффект Холла (CTHE) проливает свет на то, как тепло перемещается в альтермагнетиках. Как и традиционный тепловой эффект Холла, он возникает перпендикулярно градиенту температуры и магнитному полю. В альтермагнетиках CTHE демонстрирует значительные изменения в зависимости от направления вектора Нееля. Эта анизотропия является центральным фактором в понимании поведения теплового переноса, уникального для альтермагнетиков.
Термические свойства RuO2
В методологии исследования использовалась двойная стратегия, сочетающая анализ симметрии и передовые расчеты из первых принципов, чтобы раскрыть свойства теплопереноса RuO2. Анализ симметрии сыграл решающую роль в раскрытии фундаментальных причин возникновения альтермагнетизма.
С помощью двух операций симметрии, включающих пространственную инверсию, обращение времени и трансляцию решетки, исследование продемонстрировало сложное взаимодействие атомов внутри кристаллической структуры, продемонстрировав, как немагнитные атомы кислорода вызывают нерелятивистское спиновое расщепление в энергетических зонах.
Этот процесс привел к нарушению кристаллической симметрии обращения времени, что привело к появлению отчетливых свойств кристаллической теплопередачи.
«Благодаря детальному анализу мы определили три физических механизма, способствующих тепловому транспорту кристаллов: псевдоузловые линии Вейля, альтермагнитные псевдоузловые плоскости и альтермагнитные лестничные переходы», — сказал профессор Яо.
Проще говоря, псевдоузловые линии Вейля — это пути, которые проводят тепло внутри материала, альтермагнитные псевдоузловые плоскости можно представить как обозначенные зоны, влияющие на тепловой поток, а альтермагнитные лестничные переходы можно рассматривать как способ материала подниматься по тепловой лестнице.
Эти открытия интересны, поскольку они играют важную роль в том, как тепло распространяется внутри альтермагнетиков.
Исследователи обнаружили расширенный закон Видемана-Франца в RuO2, связывающий необычные характеристики теплового и электрического переноса материала. Вопреки общепринятым ожиданиям, этот расширенный закон действует в более широком диапазоне температур, выходящем за рамки 150 Кельвинов.
Спиновая калоритроника
Исследователи полагают, что альтермагнетики могут сыграть ключевую роль в спиновой калоритронике — области исследований, изучающей взаимодействие между вращением и тепловым потоком, чего невозможно достичь с помощью ферромагнетиков или антиферромагнетиков. Эта область имеет потенциальное применение при разработке новых технологий обработки и хранения информации.
«Альтермагнетики с коллинеарным антипараллельным магнитным порядком демонстрируют более быструю спиновую динамику и меньшую чувствительность к рассеянным магнитным полям по сравнению с ферромагнитными материалами. Это делает их перспективными для достижения более высокой плотности хранения и более быстрых спиновых калоритронных устройств», — объяснил профессор Фэн.
В будущем исследователи также намерены исследовать кристаллический тепловой транспорт высшего порядка и магнитооптические эффекты.
Говоря об этом, профессор Яо сказал: «Нам интересны различия в тепловом переносе кристаллов высшего порядка и магнитооптических эффектах высокого порядка в альтермагнетиках по сравнению с антиферромагнетиками или ферромагнетиками. Мы находимся на ранних стадиях развития этой технологии, и впереди долгий путь, прежде чем это станет практически достижимым».
