反铁磁体中的表面磁化：分类、示例材料及其与磁电响应的关系

我们利用对称性分析与密度泛函理论刻画了在特定表面终止上具有有限平衡磁化密度反铁磁（AFM）材料。由于体磁对称性，许多AFM的特定表面上会出现每单位面积非零磁偶极矩或“表面磁化”。此类表面磁化在从随机存取磁电（ME）存储器到交换偏置的众多器件应用中起关键作用。然而，目前尚缺乏对AFM表面磁化的普适描述。我们首先引入一个分类系统，基于表面磁化对粗糙性是敏感还是稳健，以及所关注表面在体磁基态中是磁补偿还是非补偿。我们表明，非补偿表面磁化可方便地用局域矩、晶胞层级的ME多极子描述，并证明多值“多极化晶格”的对称性可区分粗糙稳健与粗糙敏感的表面磁化。我们随后证明，体补偿表面上的磁化源于原子位点层级的ME多极子（除高阶磁项外）。这些可进一步通过体ME响应理解，其由表面终止导致的有效电场产生。我们还通过密度泛函计算表明，Cr2O3与FeF2中名义补偿的表面在表面处发展出有限磁化密度，与基于群论及线性与高阶ME响应张量的预测一致。我们的分析为理解AFM中的表面磁性质提供了全面基础，并对交换偏置耦合等现象具有重要启示。