基于第一性原理的二维 CrI$_3$ 自旋-晶格耦合研究
材料科学
2022-04-06 v1
摘要
由于热涨落在维度减小时变得更加重要，低维磁体预期比块体系统对晶格畸变和声子更为敏感。在此，我们对典型的二维铁磁体 CrI 的自旋-晶格耦合（即磁相互作用如何依赖于局域晶格畸变）进行了完全相对论性的第一性原理研究。我们提取了 CrI 中自旋-晶格耦合的有效度量，其大小可达体心立方 Fe 中所发现值的十倍。磁交换相互作用，包括海森堡和相对论性 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用，对 Cr 原子的面内运动和配体原子的面外运动均敏感。我们发现，对于大于 0.16 {\AA} 的原子位移，显著的磁对相互作用会从铁磁（FM）变为反铁磁（AFM）变号。我们通过分析各向同性交换相互作用的轨道分解（涉及不同的晶体场分裂 Cr 轨道）解释了所观察到的强自旋-晶格耦合。反铁磁的 t - t 与铁磁的 t - e 贡献之间的竞争取决于 Cr 与 I 原子形成的键角以及 Cr-Cr 距离。特别地，若 Cr 原子发生位移，当 I-Cr-I 键角接近 90 时会出现 FM-AFM 变号。所获得的自旋-晶格耦合常数，连同微观轨道分析，可作为进一步研究二维磁体热力学性质和磁子-声子联合激发的指导原则。
引用
@article{arxiv.2111.05382,
title = {Spin-lattice couplings in two-dimensional CrI$_3$ from first-principles study},
author = {Banasree Sadhukhan and Anders Bergman and Yaroslav O. Kvashnin and Johan Hellsvik and Anna Delin},
journal= {arXiv preprint arXiv:2111.05382},
year = {2022}
}