基于定向自旋空间群的系统磁结构生成：公式化、应用与高通量第一性原理计算
材料科学
2026-01-23 v1 强关联电子
摘要
我们提出了一种受定向自旋空间群（SSG）概念启发的磁结构生成框架：磁结构首先作为 SSG 的全对称表示生成，然后进行旋转，使其属于该 SSG 的最大磁空间群，我们分别称之为自旋对称性适配（SSA）结构和定向 SSA 结构。这是一个自然的框架，用于在对称性等效位点上强制固定磁矩大小，并利用自旋轨道耦合（SOC）诱导的能量尺度层次结构。为检验本方案，我们分析了 MAGNDATA 数据库，发现 77% 的报告结构可在 SSG 层面重现，其中 82% 可在定向 SSG 方案中完全重现，无论其纯自旋群类型或传播矢量如何。为定量评估计算和预测性能，我们对 283 种材料进行了自旋密度泛函理论计算，首先对无 SOC 的 SSA 结构进行自洽计算，然后对衍生的定向 SSA 结构进行包含 SOC 的固定电荷计算。在无 SOC 的 SSG 层面，82% 的情况下实验磁结构被重现为能量最稳定结构；在含 SOC 的定向 SSG 层面，这一比例为 76%，表明固定电荷方案能够以低计算成本精确评估 SOC 诱导的能量差异。定向 SSA 结构之间的特征能量尺度仅为每个磁性原子约 0.29 meV，比不同 SSA 结构之间的特征能量尺度小约 300 倍。这些结果表明，基于定向 SSG 的枚举，结合对 SSA 和定向 SSA 结构的两步计算，为大规模磁结构预测提供了一条高效且稳健的途径。
引用
@article{arxiv.2601.15735,
title = {Systematic Magnetic Structure Generation Based on Oriented Spin Space Groups: Formulation, Applications, and High-Throughput First-Principles Calculations},
author = {Takuya Nomoto and Kohei Shinohara and Hikaru Watanabe and Ryotaro Arita},
journal= {arXiv preprint arXiv:2601.15735},
year = {2026}
}
备注
28 pages, 7 figures, 4 tables