Плоская поверхность Ферми в альтермагнетиках открывает путь к квантовому пределу спиновых токов

Ключевой особенностью спинтронных устройств является их способность использовать спиновые токи для передачи импульса, что обеспечивает энергоэффективное и высокоскоростное хранение и управление логическими сигналами. Обычно такие устройства управляются электрическими токами и полями, а ключевой метрикой для оценки их производительности является эффективность преобразования заряда в спин.

Учёные из Института исследования металлов Китайской академии наук обнаружили новую глубокую корреляцию между спиновым расщепляющим моментом и геометрией поверхности Ферми, достигнув квантового предела в 100% в системе с плоской поверхностью Ферми. Результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters 16 декабря.

Эффективная модель альтермагнетиков с различной анизотропией спинового расщепления. Автор: IMR

Ограничения традиционных спинтронных механизмов

Обычные спинтронные устройства обычно управляются через два доминирующих механизма. Спин-зависимый момент позволяет манипулировать спином, но ограничен спиновым рассеянием. Механизм спин-орбитального момента обеспечивает поперечные сигналы, но ограничен короткой длиной спиновой диффузии, что приводит к быстрому затуханию спиновых токов и ограничивает эффективность инжекции спинового углового момента.

В отличие от обычных антиферромагнетиков, которые не генерируют спиновые токи, альтермагнетики демонстрируют спиновое расщепление, происходящее от магнитного порядка, а не от релятивистской спин-орбитальной связи. Это внутреннее свойство естественным образом поддерживает большую длину спиновой диффузии. По мере увеличения спиново-анизотропного расщепления в системе возникает T-нечётный спиновый ток, что приводит к конечной эффективности преобразования заряда в спин. Когда возникает плоская геометрия поверхности Ферми, d-волновая спиновая анизотропия реализует квантовый предел для T-нечётного преобразования.

Кристаллическая структура, зонная структура и характеристики спинового тока KV₂Se₂O. Автор: IMR

Открытие в d-волновом альтермагнетике KV₂Se₂O

Вдохновлённые анализом модели, исследователи провели теоретические расчёты для работающего при комнатной температуре d-волнового альтермагнетика KV₂Se₂O. Результаты выявили наличие плоской поверхности Ферми с почти пренебрежимо малой дисперсией вдоль направления kz. Более того, два перпендикулярных набора поверхностей Ферми заняты противоположными спиновыми панелями. Это замечательно хорошо согласуется со сценарием, раскрытым в теоретическом моделировании, и указывает на потенциал исключительно высокой эффективности преобразования заряда в спин.

Практические расчёты показывают, что материал может генерировать поперечные и продольные спиновые токи вдоль направлений [110] и [100]. Эффективность преобразования достигает 78% в точке зарядовой нейтральности и до 98% при слабом электронном легировании. Исследователи обнаружили, что высокая эффективность в KV₂Se₂O чрезвычайно устойчива к влиянию температуры и дефектов.

Проводимость, спиновая проводимость и эффективность преобразования заряда в спин KV₂Se₂O в сравнении с другими альтермагнетиками. Автор: IMR

Значение для будущих спинтронных применений

Всестороннее сравнение с известными материалами, генерирующими T-нечётный спиновый ток, показывает, что KV₂Se₂O выделяется как многообещающий кандидат для будущих применений. Эффективность преобразования заряда в спин у KV₂Se₂O в точке зарядовой нейтральности значительно выше, чем у других альтермагнетиков, превосходя даже известный материал RuO₂ в два раза, что устанавливает новый рекорд для T-нечётной эффективности. Кроме того, спиновая проводимость KV₂Se₂O достигает 3.2×10⁴ (ħ/2e) (См/см) как в поперечном, так и в продольном направлениях; её плотность тока превосходит таковую у большинства внутренних магнитных материалов.

Эта работа представляет новую стратегию — «инженерию геометрии поверхности Ферми» — для настройки спиновых свойств материалов в сторону квантового предела и предлагает перспективные материалы-кандидаты.

Больше информации: Junwen Lai et al, d-Wave Flat Fermi Surface in Altermagnets Enables Maximum Charge-to-Spin Conversion, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/bf1n-sxdl. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2506.07703

Источник: Chinese Academy of Sciences