オルターマグネットにおける平坦なフェルミ面幾何で量子限界スピン電流を実現(Scientists Achieve Quantum Limit Spin Currents with Flat Fermi Surface Geometry in Altermagnets)

2025-12-17 中国科学院(CAS)

中国科学院金属研究所(IMR)の研究チームは、スピントロニクス性能を左右する電荷‐スピン変換効率(CSE)とフェルミ面幾何との深い相関を理論的に解明し、平坦なフェルミ面をもつアルターマグネットで量子限界(100%)に迫るスピン流生成が可能であることを示した。従来のスピン移行トルクやスピン軌道トルクは散乱や拡散長の制約を受けるが、アルターマグネットでは磁気秩序由来のスピン分裂により長いスピン拡散長が実現する。室温動作可能なKV₂O₂Seの計算では、kz方向に分散の小さい平坦フェルミ面と直交するスピン分極フェルミ面が確認され、CSEは中性点で78%、軽い電子ドープで98%に達した。高効率は温度や欠陥に対しても頑健であり、フェルミ面幾何制御という新たな材料設計指針を提示している

オルターマグネットにおける平坦なフェルミ面幾何で量子限界スピン電流を実現(Scientists Achieve Quantum Limit Spin Currents with Flat Fermi Surface Geometry in Altermagnets)
Effective model of altermagnets with different spin-splitting anisotropy (Image by IMR)

<関連情報>

オルタマグネットの波面平坦フェルミ面が最大の電荷-スピン変換を可能にする -Wave Flat Fermi Surface in Altermagnets Enables Maximum Charge-to-Spin Conversion

Junwen Lai, Tianye Yu, Peitao Liu,, Long Liu, Guozhong Xing, Xing-Qiu Chen, and Yan Sun
Physical Review Letters  Published 16 December, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/bf1n-sxdl

Abstract

Altermagnets combine antiferromagnetic order with ferromagnetlike spin splitting, a duality that unlocks ultrafast spin-dependent responses. This unique property creates unprecedented opportunities for spin-current generation, overcoming the intrinsic limitations of conventional spin-transfer and spin-orbit torque approaches in magnetic memory technologies. Here, we establish a fundamental relationship between Fermi surface geometry and time-reversal-odd (-odd) spin currents in altermagnets through combined model analysis and first-principles calculations. We demonstrate that a -wave altermagnet with a flat Fermi surface can achieve a theoretical upper limit of charge-to-spin conversion efficiency (CSE) of 100%. This mechanism is realized in the newly discovered room-temperature altermagnetic metal KV2⁢Se2⁢O, which exhibits a CSE of ∼78% at the charge neutrality point—nearly double that of RuO2, setting a new record for -odd CSE. Under electron doping, this efficiency further increases to ∼98%, approaching the theoretical limit. Our Letter advances the fundamental understanding of -odd spin currents via Fermi surface geometry engineering and provides key insights for developing next-generation altermagnet-based memory devices.

1700応用理学一般
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