Spin Hamiltonians in Magnets: Theories and Computations
磁体中的自旋哈密顿量:理论与计算
关键实验室(教育部),表面物理国家重点实验室,复旦大学物理系,中国上海 200433
上海祺智研究院,中国上海 200232
合肥师范学院物理与材料工程学院,中国合肥 230601
化学系,北卡罗来纳州立大学,罗利,北卡罗来纳州,27695-8204,美国
作者应回复的通讯地址。
这些作者对这项工作贡献相同。
分子 2021, 26(4), 803; https://doi.org/10.3390/molecules26040803
投稿收到:2020 年 12 月 24 日 / 修订:2021 年 2 月 1 日 / 接受:2021 年 2 月 2 日 / 出版:2021 年 2 月 4 日
(本文属于为庆祝 John B. Goodenough 教授百岁华诞而举办的专题特刊)
Abstract 摘要
有效自旋哈密顿量方法因其解释和预测各种有趣材料磁性质的能力而受到广泛关注。在本综述中,我们总结了可用于有效自旋哈密顿量中的不同类型的自旋相互作用(以下简称自旋相互作用)以及计算相互作用参数的各种方法。对计算相互作用参数每种技术的优缺点进行了详细讨论。
关键词:自旋哈密顿量;磁性;能量映射分析;四态方法;格林函数方法
1. Introduction 1. 引言
磁性利用可以追溯到古代中国,当时发明指南针来指引方向。自从奥斯特、洛伦兹、安培、法拉第、麦克斯韦等人揭示了磁性与电之间的关系以来,磁性的更多应用被发明出来,包括发电机(电动机)、电动机、回旋加速器、质谱仪、电压变压器、电磁继电器、显像管和传感元件等。在信息革命期间,磁性材料被广泛用于信息存储。通过发现和应用巨磁阻效应[1, 2]、隧道磁阻[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]、自旋转移扭矩[10, 11, 12, 13]等,存储密度、效率和稳定性得到了显著提高。最近,发现了越来越多的新型磁性状态,如自旋玻璃[14, 15]、自旋冰[16, 17]、自旋液体[18, 19, 20, 21, 22]和磁 Skyrmions[23, 24, 25, 26, 27, 28],这既具有理论意义,也具有实际意义。 例如,刺猬和反刺猬可以被视为拓扑自旋纹理中涌现磁场的源(单极子)和汇(反单极子)[29],而磁 Skyrmions 已显示出作为超密集信息载体和逻辑器件的潜力[24]。
为了解释或预测磁性材料的性质,已经发明了许多模型和方法。在本综述中,我们将主要关注基于第一性原理计算的有效自旋哈密顿量方法及其在固态系统中的应用。在第 2 节中,我们将介绍有效自旋哈密顿量方法。首先,在第 2.1 节中,将介绍原子磁矩的起源和计算方法。然后,从第 2.2 节到第 2.6 节,将讨论可能包含在自旋哈密顿量中的不同类型的自旋相互作用。第 3 节将讨论和比较用于有效自旋哈密顿量的相互作用参数的计算方法。在第 4 节中,我们将对本综述给出简要结论。
2. Effective Spin Hamiltonian Models
2. 有效自旋哈密顿量模型
尽管准确,但基于第一性原理的计算有点像黑箱(也就是说,它们提供了最终的总结果,如磁矩和总能量,但如果没有进一步的分析,则无法清楚地理解物理结果),并且在处理大规模系统或有限温度性质时存在困难。为了对某些物理性质提供明确的解释并提高热力学和动力学模拟的效率,通常采用有效哈密顿量方法。在仅考虑磁材料中自旋自由度的背景下,这也可以称为有效自旋哈密顿量方法。通常,需要仔细构建有效自旋哈密顿量模型并包括所有可能的重要项;然后,需要根据第一性原理计算(见第 3 节)或实验数据(见第 3.3 节)计算模型参数。给定有效自旋哈密顿量和自旋配置,可以轻松计算磁系统的总能量。 因此,它通常被用于蒙特卡洛模拟[30](或量子蒙特卡洛模拟)中,以评估许多不同配置的总能量,从而研究磁性材料的有限温度性质。如果考虑原子位移的影响,有效哈密顿量也可以应用于自旋分子动力学模拟[31, 32, 33],这超出了本综述的范围。
在这篇综述中,我们主要关注经典有效自旋哈密顿量方法,其中原子磁矩(或自旋矢量)被处理为经典矢量。在许多情况下,这些经典矢量被假定为刚性的,因此它们的幅度在旋转过程中保持不变。这种处理显著简化了有效哈密顿量模型,并且通常是一个很好的近似,尤其是在原子磁矩足够大时。
在这一部分,我们将首先介绍原子磁矩的起源以及计算原子磁矩的方法。然后,将讨论不同类型的自旋相互作用。
2.1. Atomic Magnetic Moments
2.1. 原子磁矩
原子磁矩的起源由量子力学解释。假设量子化的方向是 z 轴,具有量子数( )的电子导致轨道磁矩 和自旋磁矩 ,它们的 z 分量分别为 和 ,其中 是玻尔磁子, 是自由电子的 g 因子。磁矩 在沿 z 方向的磁场 (磁感应强度)中的能量是 。
考虑到 Russell-Saunders 耦合(也称为 L-S 耦合),它适用于大多数多电子原子,总轨道磁矩和总自旋磁矩分别为 和 ,其中 和 是电子的求和。每个电子的量子数通常可以通过 Hund 规则预测。由于自旋-轨道相互作用, 和 都围绕常数向量 进动。时间平均的有效总磁矩为 ,其中
上述讨论的原子磁矩基于原子是孤立的假设。考虑其他原子和外部场的影响,轨道相互作用理论、晶体场理论[34]或配位场理论[35, 36]可能是理论上预测原子磁矩的更好选择。请注意,半充满壳层导致总 ,在固体和分子中,电子的轨道矩通常被淬灭,导致有效的 [37](对于 4 个元素或如 Co(II)中的 3d 7 配置等可能存在反例)。因此通常 ,其 z 分量 ( 被限制为离散值: )。通常,非零 来自单占据(局域)d 或轨道,而 s 和 p 轨道通常是双占据或空,因此它们对原子磁矩没有直接贡献。因此,当提到原子磁矩时,通常只需要考虑 d-和-过渡系列的原子。
原子磁矩也可以通过第一性原理计算进行数值预测。然而,我们应该注意到,基于单电子近似的传统 Kohn-Sham 密度泛函理论(DFT)计算[38, 39](基于单电子近似)在预测原子磁矩方面并不可靠,因此需要考虑电子之间的强关联效应,尤其是在处理局域 d 或轨道时。基于 Hubbard 模型[40],通过引入具有有效局域库仑和交换参数 U 和 J[41](或 Dudarev 方法中的单一参数 [42])的原子内相互作用,此类问题通常可以得到解决。这种方法是 DFT+U 方法[41, 42, 43, 44],包括 LDA+U(LDA:局域密度近似)、LSDA+U(LSDA:局域自旋密度近似)、GGA+U(GGA:广义梯度近似)等,其中“+U”表示 Hubbard 的“+U”修正。U 和 J 参数可以根据经验或半经验地通过寻求与某些特定性质的实验结果一致来估计,这种方法方便但并不非常可靠。 考虑到参数 U 和 J 的值如何影响原子磁矩和其他物理性质的预测,我们可能需要更严格地计算这些参数。一种典型的方法是受约束的 DFT 计算[43, 45, 46, 47],在几次计算中将局部 d 或电荷约束到不同的值,从而可以获得 U 和 J 参数。另一种基于受约束随机相近似(cRPA)[48, 49, 50]的方法允许考虑参数的频率(或能量)依赖性。U 和 J 的计算方法更多,总结在参考文献[43]中。对于处理强关联系统(如 DFT + 动态平均场理论(DFT+DMFT)[51, 52, 53, 54, 55]和简化密度矩阵泛函理论(RDMFT)[56, 57])有更精确的方法,但它们更加复杂且计算需求更高,因此对于大规模计算可能不切实际。 波函数(WF)方法,如完全主动空间自洽场(CASSCF)[58, 59, 60, 61]、完全主动空间二阶微扰理论(CASPT2)[62, 63, 64]、完全主动空间三阶微扰理论(CASPT3)[65]和差分专用配置相互作用(DDCI)[66, 67, 68],也被理论化学家广泛采用来研究材料的磁性(尤其是分子)性质,包括原子磁矩和磁相互作用。这些波函数方法比 DFT+U 方法更精确,但计算需求也更高,更详细的讨论可以在参考文献[69]中找到。
2.2. Heisenberg Model 2.2. 海森堡模型
最简单的有效自旋哈密顿量模型是经典海森堡模型,它可以简化为伊辛模型或 XY 模型。经典海森堡模型可以写成
其中 和 表示原子 和 上的总自旋矢量,求和遍历所有相关对 。其形式由海森堡、狄拉克和范弗莱克提出。这种相互作用来源于量子化的平行(铁磁,FM;三重态)和反平行(反铁磁,AFM;单态)自旋配置之间的能量分裂。 和 分别倾向于反铁磁和铁磁配置。 的不同定义之间可能存在如-1 和 这样的因子差异,其他模型中也是如此,将在讨论中说明。
两个电子的空间波函数应具有形式 ,其中 和 是任意的单电子空间波函数。平行三重自旋态和反平行单自旋态分别对应反对称( )和对称( )空间波函数。对于给定的 和 , 的总能量期望值可能不同于 的总能量期望值,这导致对反铁磁(AFM)或铁磁(FM)自旋配置的偏好。AFM 或 FM 自旋配置的偏好取决于具体情况,它们之间的能量差异可以用海森堡项 来描述。
在简单情况下,对于 H 2 分子,AFM 单重自旋态更被偏好,其对称空间波函数 对应于成键态[ 70, 71]。然而,这导致总磁矩为零,因为两个反平行电子共享相同的空间状态。在另一个简单情况下,其中 和 代表同一原子的两个简并正交轨道,FM 三重自旋态更被偏好,这与洪德定则一致。考虑一组正交的 Wannier 函数,其中 类似于第 n 个原子轨道,具有自旋 ,中心位于第 个晶格位点上,假设有 Nh 个电子分别定位于 N 个晶格位点的每一个上,每个离子具有 h 个未成对电子。如果这些 h 电子与所有其他电子具有相同的交换积分,波函数反对称化产生的相互作用可以表示为
该称为海森堡交换作用[72]。移除常数项后,我们可以看到这种相互作用的形式为 。
基于使用 和 表示两个自旋 磁性离子(即 d 9 离子)的单占据 d 轨道的分子轨道分析,Hay 等人[73]表明,这两个离子之间的交换作用可以近似表示为
和 表示由 和 构建的成键态和反键态之间的能隙。J 的两个分量具有相反的符号,即 和 ,分别赋予 FM 和 AFM 自旋配置优先权。对于一般的 d n 情况,应考虑更多的轨道。因此, 的表达式将更加复杂,但交换作用仍然可以类似地分解为 FM 和 AFM 贡献[73]。这种分析的一个应用是,当使用 DFT+U 方法中的 Dudarev 方法计算交换参数 并使用参数 时, 的计算值应大致按 变化, 、 和 需要拟合[74]。然而,当 时,这不再正确。
另一种导致自旋磁矩取向各向异性配置的机制是双交换,其中两个磁性离子的相互作用是通过与从一离子到另一离子移动的电子的耦合来诱导的。如果局域自旋是平行的,则移动电子的能量较低。这种机制在含有可变电荷状态离子的金属系统中至关重要[75, 76]。
超交换是另一种重要的间接交换机制,其中两个过渡金属(TM)离子之间的相互作用是通过与连接它们的非磁性配位体(L)离子上的两个电子的自旋耦合而诱导的,形成一个 TM-L-TM 类型的交换路径。提出了不同的机制来解释超交换相互作用。在安德森机制[77, 78]中,超交换是由虚过程引起的,其中一个电子从配位体转移到相邻的磁性离子之一,然后配位体上的另一个电子通过交换相互作用与另一个磁性离子的自旋耦合。在古德纳夫机制[79, 80]中,发明了半共价键的概念,其中配位体给出的一个电子在半共价键中占主导地位。由于磁性离子上的电子与配位体给出的电子之间的交换力,如果磁性离子的 d 轨道未填满一半,则与磁性离子净自旋平行的配位体电子将在磁性离子上比反平行自旋的电子花费更多的时间,反之亦然。 磁性原子和配体在靠近时通常通过半共价键或共价键连接,否则通过离子键(或可能是金属键)。存在于半共价键中的超交换作用也称为半共价交换作用。金森总结了超交换参数(FM 或 AFM)的符号对键角、键类型和 d 电子数量(在不同机制中)的依赖关系,这通常被称为古德纳夫-金森(GK)规则[80, 81, 82]。对于 180 (键角)的情况,通常,同种阳离子之间预期存在 AFM 相互作用(对于 d 4 的情况,如 Mn 3+ -Mn 3+ ,可能存在反例,其中符号取决于超交换线的方向),而对于两个分别具有半满和不满 d 轨道的阳离子,预期存在 FM 相互作用[81]。对于 90 的情况,结果通常是相反的[81]。图 1 给出了超交换相互作用(两个都具有半满 d 轨道的阳离子之间)的示意图。更多讨论细节可参见参考文献[81]和参考文献 [82].
图 1. 过渡金属(TM)离子间超交换作用的示意图。根据古登堡-坎纳莫里(GK)规则,180°和 90°情况分别有利于 TM 离子的反铁磁(AFM)和铁磁(FM)排列。主要区别在于 L 轨道的两个电子是否占据同一个 p 轨道,导致 L 轨道的两个与两个 TM 离子相互作用的电子的排列趋势不同。
高斯-凯勒(GK)规则的一个反例可以在层状磁性拓扑绝缘体 MnBi 2 Te 4 中找到,它具有固有的铁磁性[83]。相比之下,GK 规则预测 Mn 离子之间存在弱的反铁磁交换作用。在参考文献[84]中,发现 Bi 3+ 的存在对于解释这一异常是必不可少的:在 TM-L-TM 自旋交换路径中的 d 5 离子会倾向于铁磁耦合,如果非磁性阳离子 M(在 MnBi 2 Te 4 的情况下为 Bi 3+ 离子)的空 p 轨道与配体 L 的轨道强烈杂化(但否则为反铁磁耦合)。Oleś等人[85]指出,由于自旋-轨道纠缠,GK 规则可能在具有轨道自由度的过渡金属化合物(例如,d 1 和 d 2 电子构型)中不成立。
两个 TM 离子之间的交换相互作用也通过 TM-L…L-TM 类型的交换路径发生[86],称为超超交换,其中 TM 离子不共享一个共同的配体。固体中的每个 TM 离子与周围的配体 L 形成一个 TML n 多面体(通常,n = 3–6),TM 离子的未成对自旋被容纳在 TML n 的单占 d 态中。由于每个 d 态都有一个与 L 的 p 轨道反相组合的 TM d 轨道,因此 TM 的未成对自旋并不完全位于 TM 的 d 轨道上,正如 Goodenough 和 Kanamori 所假设的那样,而是被分散到周围配体 L 的 p 轨道中。因此,当它们的 L…L 接触距离接近范德华距离,配体的 p 轨道在 L…L 接触处良好重叠时,TM-L…L-TM 类型的交换就会发生,并且可以强烈地表现出反铁磁性。
另一种机制是通过传导电子间接耦合磁矩,称为鲁德曼-基特尔-鹿谷-吉田(RKKY)相互作用[87, 88, 89, 90]。这种两个自旋 和 之间的相互作用也正比于 ,表达式为
磁偶极-磁偶极相互作用(位于不同原子的磁矩 和 之间的相互作用)具有能量
也有对双线性项的贡献,但通常比大多数固态材料(如铁和钴)中的交换作用要弱得多。磁性材料中偶极-偶极相互作用(或称为“偶极相互作用”)的特征温度通常为 1 K,在此温度以上,无法通过这种相互作用稳定长程有序[37]。然而,在某些情况下,例如在几个单分子磁体(SMMs)中,交换作用可能非常弱,以至于它们与偶极相互作用相当或更弱,因此不能忽略偶极相互作用[91]。
对于大多数磁性材料,海森堡相互作用是最主要的自旋相互作用。因此,简单的经典海森堡模型能够解释许多磁性材料的磁性质,如自旋配置的基态(铁磁或反铁磁)以及转变温度(铁磁态的居里温度或反铁磁态的奈尔温度)。
如果某些自旋对倾向于铁磁自旋配置,而其他自旋对倾向于反铁磁配置,则可能会出现混乱,导致更复杂、更有趣的非共线自旋配置。例如,某些反铁磁晶格中移动电子引起的双交换效应产生的铁磁效应会导致基态自旋排列的畸变,从而导致倾斜自旋配置[92]。具有适度自旋混乱的磁性固体通过采用非共线超结构(例如,阿基米德螺线或螺旋)来降低其能量,在这种超结构中,离子的矩在大小上相同但方向不同,或者采用共线磁超结构(例如,自旋密度波,SDW)来降低其能量,在这种超结构中,离子的矩在大小上不同但方向相同[93, 94]。在磁性离子链中形成的阿基米德螺线中,每个连续的自旋以一定角度沿一个方向旋转,因此存在两种相反的旋转连续自旋的方式,从而产生两个在螺旋性上相反但在能量上相同的阿基米德螺线。当这两种阿基米德螺线在某个温度以下以相同的概率出现时,它们的叠加会导致 SDW[93, 94]。 随着温度进一步降低,自旋-晶格弛豫到能量上有利于两个手性环面中的一个,从而可以观察到环面状态。后者由于是手性的,没有反演对称性,导致铁电性[95]。自旋阻塞也是拓扑状态如 skyrmions 和刺猬的潜在驱动力[29]。
2.3. The J Matrices and Single-Ion Anisotropy
2.3. J 矩阵和单离子各向异性
经典海森堡模型可以推广到矩阵形式,以包括两个自旋(或一个自旋本身)之间所有可能的二阶相互作用:
其中 和 是称为 J 矩阵和单离子各向异性(SIA)矩阵的 3×3 矩阵。 矩阵可以分解为三部分:与经典海森堡模型中的各向同性海森堡交换参数 ,反演不对称的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用(DMI)矩阵 [96, 97, 98],以及对称(各向异性)的基塔耶夫型交换耦合矩阵 (其中 表示 3×3 单位矩阵)。因此 [99, 100]。
现在我们通过对称性分析来分析这些项的可能来源。在考虑自旋之间的相互作用势时,我们应该注意到,总相互作用能量在时间反演( )下应该是不变的。因此,除非存在外部磁场,此时应向有效自旋哈密顿量中添加一个项 ,否则自旋哈密顿量中的任何奇数阶项都应该为零。忽略外部磁场,自旋哈密顿量应仅包含偶数阶项,其中最低阶的显著项是二阶(零阶项是一个常数,因此不是必要的)。如果自旋轨道耦合(SOC)可以忽略,则总有效自旋哈密顿量 在任何全局自旋旋转下都应该是不变的,因此 应该仅由自旋的内积项表示,如与 、 等成比例的项。也就是说,当 SOC 可以忽略时, 中的二阶项应仅包括经典海森堡项 ,这意味着由 、 和 矩阵描述的相互作用都起源于 SOC( )。 此外,如果晶格满足空间反演对称性,则 应等于 ,这样就不会有 DMI( )。也就是说,DMI 只能存在于空间反演对称性被破坏的地方。
SIA 矩阵 只有六个独立分量,通常假设它是对称的。如果我们假设经典自旋矢量 的大小与其方向无关,各向同性部分 将没有意义,因此从自身减去各向同性部分后, 将只有五个独立分量。很明显, 倾向于沿着 沿 具有最低本征值的本征向量方向。如果这个最低本征值是二重简并的,SIA 所偏好的 方向将是属于具有最低本征值的两个本征向量所张成的平面的方向,在这种情况下,我们说该离子具有易平面各向异性。相反,如果最低本征值不是简并的,而较高本征值是二重简并的,我们说该离子具有易轴各向异性。在这两种情况(易平面或易轴各向异性)中,通过定义 z 轴方向平行于非简并本征向量, 部分将简化为只有单个独立分量的 。 易轴各向异性被发现有助于稳定二维或准二维系统中的长程磁序并提高居里温度[101]。三维铁磁体的易平面各向异性可能导致称为“量子自旋降低”的现象,在零温度下,由于量子涨落,平均自旋值低于最大值[101, 102]。最近,发现了几种具有异常大的易平面或易轴各向异性的材料[103, 104, 105],作为单离子磁体(SIM),它们在诸如高密度信息存储、自旋电子学和量子计算等应用中具有前景。
DMI 矩阵 是反对称的,因此只有三个独立的分量,可以用一个向量 表示,包含 、 和 。因此,DMI 可以用叉积表示: 。这种相互作用倾向于使向量 和 相互垂直,绕着 方向旋转( 相对于 )。与海森堡项 一起,相对于海森堡项所偏好的共线状态, 和 之间的首选旋转角度将是 。在参考文献[106]中,DMI 被证明决定了 Au(111)上 Cr 三聚体的磁基态的手性。DMI 在解释许多材料(如 MnSi 和 FeGe[24, 26, 27, 29, 107, 108, 109, 110]中的 skyrmion 状态)中也非常重要。由 DMI 诱导的 skyrmion 状态的材料通常具有很大的 比率(通常为 0.1~0.2),其中下标“1”表示最近邻对[24, 100]。在参考文献[ ]中,DMI 被证明决定了 Au(111)上 Cr 三聚体的磁基态的手性。DMI 在解释许多材料(如 MnSi 和 FeGe[24, 26, 27, 29, 107, 108, 109, 110]中的 skyrmion 状态)中也非常重要。由 DMI 诱导的 skyrmion 状态的材料通常具有很大的 比率(通常为 0.1~0.2),其中下标“1”表示最近邻对[24, 100]。在参考文献[ ]中,DMI 被证明决定了 Au(111)上 Cr 三聚体的磁基态的手性。DMI 在解释许多材料(如 MnSi 和 FeGe[24, 26, 27, 29, 107, 108, 109, 110]中的 skyrmion 状态)中也非常重要。由 DMI 诱导的 skyrmion 状态的材料通常具有很大的 比率(通常为 0.1~0.2),其中下标“1”表示最近邻对[24, 100]。 [100],在 Cr(I,X) 3 (X = Br 或 Cl)Janus 单层(例如,对于 Cr(I,Br) 3 ,假设 对于任何,相应的相互作用参数计算为 meV 和 meV,因此 ),尽管如 CrI 3 之类的单层由于缺乏 DMI 而仅表现出 FM 状态。在参考文献[110]中,MnSi 的非互易磁子谱(及其相关的谱权重)以及其作为磁场函数的演化,是通过包括对称交换、DMI、偶极相互作用和 Zeeman 能量(与磁场相关)的模型来解释的。
基泰矩阵 作为一个迹为零的对称矩阵,具有五个独立的分量。当 和 彼此平行(指向同一方向)时, 将表现得像 ,并倾向于 最低本征值的方向;而当 和 彼此反平行时, 将倾向于 最高本征值的方向。 的最高本征值与最低本征值之间的差异可以定义为 (一个标量),这表征了 各向异性贡献。通常,自旋的优选方向由 SIA 和基泰相互作用共同决定。单层 CrI 3 中的长程铁磁序通过各向异性超交换相互作用得到解释,因为 Cr-I-Cr 键角接近 [111]。在参考文献[112]中,研究了突出的基泰相互作用与 SIA 之间的相互作用,以自然地解释 CrI 3 和 CrGeTe 3 的不同磁性行为。 对于 CrI 3 ,假设 对于任何 和 之间的最近对参数分别计算为-2.44 和 0.85 meV;而 的 的唯一独立组件为-0.26 meV。对于 CrGeTe 3 ,这三个参数分别计算为-6.64、0.36 和 0.25 meV。这两种相互作用是由这两种材料(而不是通常认为的 Cr 离子)中重配位体(I 或 Te)的 SOC 诱导的。在多种类型的量子自旋液体(QSLs)中,具有基态为 QSL(具有马约拉纳激发)的精确可解的 Kitaev 模型[ 113]已引起广泛关注。已发现实现这种 Kitaev QSLs 的材料,如 -RuCl 3 [ 114, 115, 116]和(Na 1-x Li x ) 2 IrO 3 [ 117, 118](具有有效的 S = 1/2 自旋值)具有蜂窝状晶格。在 S = 3/2 的晶格应变 Cr 基单层中,也预测了可能的 Kitaev QSL 状态,例如 CrSiTe 3 和 CrGeTe 3 [ 119]。
2.4. Fourth-Order Interactions without SOC
2.4. 无自旋轨道耦合的四阶相互作用
有时,高阶相互作用对于解释某些材料的磁性也是至关重要的,特别是当磁性原子具有大的磁矩或系统是巡游的时。如第 2.3 节所述,当自旋轨道耦合(SOC)可以忽略时,有效的自旋哈密顿量应仅包括自旋的内积项。除了第二阶海森堡项 之外,下一低阶(即四阶)的项是双二次(交换)项 ,三体四阶项 ,以及四自旋环耦合项 。也就是说,当忽略自旋轨道耦合和外部磁场时,保持阶数不超过四阶的项,有效的自旋哈密顿量可以表示为
二阶交叉项在许多系统中被发现非常重要,例如 MnO [120, 121]、YMnO 3 [74]、TbMnO 3 [122]、铁基超导体 KFe 1.5 Se 2 [123]和二维磁性材料[124]。在 TbMnO 3 的情况下,除了二阶交叉项外,四自旋耦合在解释非海森堡行为[122]中也被发现非常重要;三体四阶项在模拟不同自旋配置的总能量[125]中也发现非常重要(TbMnO 3 中每个重要相互作用参数的拟合值列表见[125]的补充材料)。根据[126],在由交替 和 位自旋构建的海森堡链系中,额外的各向同性三体四阶项被发现可以稳定多种部分极化状态和两种特定的非磁性状态,包括一个临界自旋液体相和一个临界液晶相。在[127]中,四自旋耦合被发现对防止斯格明子(或反斯格明子)在几个过渡金属界面中塌陷到铁磁状态的能量势垒有重大影响。
2.5. Chiral Magnetic Interactions Beyond DMI
2.5. 超越双磁化强度(DMI)的手征磁相互作用
一些包含自旋交叉积的高阶项对于将模型拟合到总能量或解释某些特定的磁性性质也是必要的。由于这些相互作用(如各向异性磁化率 DMI)的螺旋性质,它们也可能导致或解释诸如 skyrmions 等有趣的非共线自旋纹理。在参考文献[128]中,发现拓扑-螺旋相互作用在 MnGe 中非常突出,其中包括具有螺旋-螺旋相互作用(CCI)形式的
其局部部分具有以下形式
并且自旋-手征相互作用(SCI)的形式
其中单位向量 是沿晶格位 、 和 构成的定向三角形的表面法线。在自旋的三元组中,局部的标量自旋手征性 可以解释为一个虚构的有效磁场 ,这导致由电子在三角形周围跳跃产生的拓扑轨道磁矩(TOM)[129, 130, 131, 132, 133, 134]。拓扑轨道磁矩(TOM)定义为
局部拓扑轨道磁化率 。CCI 对应于拓扑轨道电流对(或 TOMs)之间的相互作用,其局部部分可以解释为轨道塞曼相互作用 。SCI 起源于自旋轨道耦合(SOC),它将 TOM 与单个自旋磁矩耦合。图 2 提供了 CCI 和 SCI 的示意图。考虑 CCI 和 SCI 提高了 MnGe 中总能量的拟合(详见参考文献[128])。此外,作者展示了 CCI 可能导致三维拓扑自旋状态的可能性,因此可能在决定 MnGe 的自旋配置基态中发挥关键作用,实验上发现 MnGe 是一个三维拓扑晶格(可能由刺猬和反刺猬组成)[135]。
图 2. S. Grytsiuk 等人提供的手性-手性相互作用(CCI)和自旋-手性相互作用(SCI)的示意图。自旋和拓扑轨道矩(TOMs)分别用黑色箭头和蓝色箭头表示。CCI 可以被视为 TOMs 之间的相互作用,而 SCI 可以解释为 TOM 和局域自旋之间的相互作用。
一种新型的手性对相互作用 ,称为手性双二次相互作用(CBI),它是 DMI 的双二次等价形式,从一个微观模型中推导出来,并在 Pt(111)、Pt(001)、Ir(111)和 Re(0001)表面上的 3d 元素磁二聚体中,与 DMI 在强度上相当[136]。类似但更普遍的手性相互作用,如 和 ,称为四自旋手性相互作用,在参考文献[137]中进行了讨论,并发现它们在预测 Re(0001)表面沉积的 Fe 链的螺旋态的正确手性方面非常重要。
当存在磁场时,对于非二分晶格,磁场可以与自旋耦合,产生形式为 [ 138, 139]的新项,这可以称为三自旋手征相互作用(TCI)[ 140]。这样的手征项可以诱导在反铁磁自旋隙相中产生无隙线,一个临界手征强度可以将基态从螺旋相转变为 Néel 准长程有序相[ 138]。这种手征项还发现可以产生手征自旋液体状态[ 141],其中通过标量手征长程序的出现,自发地破坏了时间反演对称性[ 142]。
2.6. Expansions of Magnetic Interactions
2.6. 磁性相互作用的展开
通常,可以使用完备基来展开自旋相互作用。一个例子是自旋簇展开(SCE)[143, 144, 145],其中使用表示自旋方向的单位向量作为独立变量,并在基函数的表达式中使用球谐函数。当如第 2.3 节所述,自旋轨道耦合(SOC)和外部磁场不重要时,只需要考虑自旋的内积。因此,展开可以
在参考文献[125]中所述。当使用自旋矢量的展开(或自旋的方向)时,需要对相互作用距离和相互作用阶数进行适当的截断。否则,项的数量将是无限的,结果问题将无法解决。
3. Methods of Computing the Parameters of Effective Spin Hamiltonian Models
3. 有效自旋哈密顿量模型参数的计算方法
在这一部分,我们主要讨论基于晶体第一性原理计算的磁矩相互作用参数的计算方法,其中周期性边界条件被隐含地假设。这些方法包括不同种类的能量映射分析(见第 3.1 节)和基于磁力线性响应理论的格林函数方法(见第 3.2 节)。第 3.3 节提供了关于刚性磁矩旋转近似和其他假设的讨论。第 3.3 节将简要讨论不存在周期性边界条件的簇的情况。第 3.3 节还将简要提及从实验中获得磁矩相互作用参数的方法。
3.1. Energy-Mapping Analysis
3.1. 能量映射分析
在能量映射分析中,我们进行了几次基于第一性原理的计算,以评估不同自旋配置的总能量。然后,我们使用有效自旋哈密顿量来提供这些自旋配置的总能量表达式(其中包含几个未确定的参数)。通过将有效自旋哈密顿量模型给出的总能量表达式映射到基于第一性原理的计算结果,可以估计未确定参数的值。存在几种类型的能量映射分析。对于第一种类型,使用最小数量的配置,并且可以预先给出计算参数的具体表达式。一个例子是通过在精确哈密顿量的本征值和本征函数与有效自旋哈密顿量模型(通常是海森堡模型)之间进行映射,以估计相对简单系统的交换参数[ 146, 147]。 几种破缺对称性(BS)方法也属于此类,其中采用破缺对称性状态(而不是精确哈密顿量的本征态)来在模型和第一性原理计算结果之间进行能量映射[147, 148]。BS 方法的典型例子是四种状态方法[148, 149],其中选择四个特殊状态来计算每个参数分量,这些将在第 3.1.1 节中介绍。对于第二种类型,使用更多的配置,并使用最小二乘法拟合来确定假设的有效自旋哈密顿量模型中的参数,这将在第 3.1.2 节中介绍。第三种类型与第二种类型相似,但事先未确定有效自旋哈密顿量模型的具体形式。最初,在模式哈密顿量中包含许多项。每个单独项的相关性取决于与第一性原理计算的拟合性能。 在为模型哈密顿量选择相关项时,寻找给定磁系统的最小哈密顿量非常重要,即具有最少参数却能捕捉其基本物理的哈密顿量。这种能量映射分析将在第 3.1.3 节中介绍。
在这一节中,我们将主要关注具有周期性边界条件的固态系统中的应用。指定配置(通常是破缺对称态)的总能量通常由第一性原理计算(例如,DFT+U 计算)提供,其中磁矩的方向受到约束。
3.1.1. Four-State Method 3.1.1. 四态法
基于四种有序自旋状态[148, 149]的能量映射分析,也称为四态方法,假设有效自旋哈密顿量仅包含二阶项(即各向同性海森堡项、各向异性磁化率项、基泰夫项和 SIA 项)。参数的每个分量,如 、 、 、( )和( ),可以通过对四种指定自旋状态[148]进行第一性原理计算获得。以各向同性海森堡参数 为例,在第一性原理计算中关闭自旋轨道耦合(SOC)时,我们使用 ( )表示自旋平行或反平行于 z 方向(如果 ,分别),自旋平行或反平行于 z 方向(如果 ,分别),并且除了和之外的所有自旋在四种状态中保持不变(这将被称为“参考配置”,通常选择为低能共线状态)。然后 可以表示为
这些四种状态的示意图如图 3 所示。
图 3. 四状态方法计算 所采用的四种状态的示意图。除原子和,所有其他原子在此图中省略(在四种状态中保持不变)。向上和向下的自旋分别用橙色和蓝色球表示。对应这四种状态的第一性原理计算给出的总能量分别表示为(a) ,(b) ,(c) 和(d) 。
通常,二阶有效自旋哈密顿量具有以下形式:
矩阵 和 的每个分量也可以通过针对四个指定的自旋状态进行第一性原理计算而获得。为了计算 ( ),我们使用 ( )表示自旋与 a 方向平行或反平行(如果 ,分别)的配置能量,自旋与 b 方向平行或反平行(如果 ,分别)的配置能量,并且除了和之外的所有自旋保持不变,并与 c 轴平行( , , )保持不变,并使用适当的参考配置保持不变。然后, 可以表示为
为了计算 ( 与 ),我们使用 ( )表示自旋平行于方向 a 分量是 (对于 ,分别),b 分量是 (对于 ,分别),而其他分量是 0 的配置的能量。在这里,除了和之外的所有自旋都与 c 轴( , , )平行,并有一个适当的参考配置。然后, 可以表示为
为了计算 ( 与 ),我们使用 ( )表示自旋平行于方向 a 分量是 (如果 ,分别),b 分量是 (如果 ,分别)而其他分量是 0 的配置能量,而除了自旋外的所有自旋都平行于 c 轴( , , )并使用适当的参考配置。然后 可以表示为
通过采用这种方法,很容易验证,通过使用这种方法,可以完全消除其他二阶项的影响,从而获得 和 的每个分量。现在我们考虑四阶项的影响(不考虑 SOC),并检查计算 和 的算法是否仍然严格。对于 ,我们可以发现所有这些项的影响都得到了正确的消除。对于 ,双曲项、三体四阶项和大多数四自旋环耦合项的影响得到了完美的消除,而只有像 ( )这样的项会干扰 的计算,因为 在计算过程中是常数,因此与 的贡献混合在一起。计算出的 误差源于四自旋环耦合项
由...给出
在磁体中旋转哈密顿量:理论计算 当没有简单的方法完美解决这个问题。 的其他部分(包括 和 )在没有自旋轨道耦合(SOC)的情况下不受这些四阶项的影响,但如果考虑自旋轨道耦合(由于类似的原因),则受其他类型的四阶项(如四自旋手征相互作用)的影响。
在参考文献[122]中,发现四自旋环耦合相互作用在 TbMnO 3 中很重要,因此当改变参考配置时,使用四态法计算海森堡参数会导致不稳定性。这个问题通过使用 FM 和 A 型反铁磁(A-AFM,见图 4c)作为参考配置,用四态法计算海森堡参数 两次,并使用它们的平均值作为 的最终估计值来修复。通过计算两种计算得到的 值(分别使用 FM 和 A-AFM 参考配置)之间的差异,获得了关键环耦合相互作用的参数。这种有效的修复基于假设只有一种环耦合相互作用是关键的。然而,如果有更多种类的显著环耦合,或者我们事先不知道哪种环耦合是关键的,这种计算 的方法仍然不太可靠。 尽管如此,研究发现,通过取使用 FM 和 G 型 AFM(G-AFM,见图 4a)参考配置的四状态方法计算的 的平均值,消除了 中 k 和为最近邻对的影响。 中非最近邻对的 k 和项仍然会干扰 的计算,但它们通常非常微弱。因此,使用四状态方法计算 的这种补救措施在大多数情况下应该有效。在无法定义 G-AFM 状态(其中所有最近邻自旋对都是反平行排列)的情况下(例如,三角形或 Kagomé晶格),在四状态方法中可能需要使用超过两个参考配置,以消除 项中非最近邻对的 k 和的影响。这些参考配置需要根据具体情况仔细设计,以尽可能消除 项的影响。
图 4. (a) G 型自旋晶格,(b) C 型自旋晶格,和(c) C 型自旋晶格状态示意图。分别用橙色和蓝色球表示指向两个相反方向(例如,向上和向下)的磁矩。
四态方法的主要优点是其相对较少的基于第一性原理的计算量以及相对较好的其他相关项的抵消。一个弱点是它不能分析参数的不确定性,因此我们不知道那些估计值有多精确。另一个弱点,这也是与其他能量映射分析方法共有的,即计算出的 实际上是 和 之间的 的任何晶格向量 的总和。因此,为了消除其他自旋对的影响,需要相对较大的超胞。
四态方法也可以推广到计算双二次参数,其中在第一性原理计算中需要关闭自旋轨道耦合(SOC)。对于计算项 中的 ,我们可以让 指向 方向, 指向 、 、 和 方向,其他自旋与 z 轴平行。相应的总能量分别表示为 、 、 和 。然后 可以表示为
可以很容易地验证,高于四阶的其他项的影响被完全消除。因此,这种计算 的方法在理论上应该是相对严格的。
请注意,四种状态的方法[148, 149]也可以在不进行额外的第一性原理计算的情况下,由于 Hellmann-Feynman 定理,给出交换相互作用相对于原子位移的导数。这些导数对于研究自旋-晶格耦合相关现象是有用的。
3.1.2. Direct Least Squares Fitting
3.1.2. 直接最小二乘拟合
另一种能量映射分析,不是使用四态方法,而是使用更多基于第一性原理的计算,采用不同的自旋配置,并使用最小二乘法将结果拟合到有效自旋哈密顿量,以估计参数[74, 122, 123, 124]。选择自旋配置的方法取决于要估计的参数。
在参考文献[74]中,对于 YMnO 3 的一个晶胞中的四个 Mn 位点,它们的自旋的极角和方位角 分别由 、 、 和 给出。通过将 从 0 变为 180 ,可以得到不同的配置。如果有效自旋哈密顿量只包含海森堡项,那么有效哈密顿量给出的预测值和第一性原理计算给出的计算值之间将存在系统偏差。这种偏差可以通过将双二次交换相互作用添加到有效哈密顿量模型中得到有效纠正。因此,可以拟合双二次参数。其他人也采用了类似的方法来计算和展示双二次参数和拓扑手性-手性贡献的重要性[122, 123, 124, 128]。除了使用角度变量来生成自旋配置外,使用两个或更多变量也是可行的,或者也可以考虑随机选择的方向[106]。因此,将产生更多样化的配置。 最小二乘拟合也会有效,但是否存在系统性偏差可能不如仅使用一个角变量生成配置时那么明显,拟合任务可能更加费力。
该方法的主要优点是可以通过拟合性能来检查模型的可靠性,并在需要时估计参数的不确定性。此方法特别适用于双二次参数和拓扑 CCI 的计算。然而,当谈到海森堡参数的计算时,此方法需要更多的第一性原理计算,因此效率较低。此外,海森堡参数 的拟合结果容易受到其他四阶相互作用(如 和 等项)的影响。因此,如果这些四阶相互作用是基本的,那么海森堡参数的估计可能不太可靠。可以通过将相关项添加到有效哈密顿模型中解决这个问题,但在事先决定要包含哪些项在模型中并不容易。
一种消除其他高阶项影响的方法是在人工计算中用类似但非磁性的离子替换大部分磁性离子(例如,用非磁性的 Al 3+ 离子替换 Fe 3+ 离子),除了一个或多个要研究的离子[150]。例如,在计算 SIA 时,只有一个磁性离子没有被替换,通过旋转这个磁性离子并计算总能量,可以研究 SIA。当研究 和 之间的双体相互作用时,只有两个磁性离子(在位置和)没有被替换,通过旋转这两个磁性离子的自旋(或磁矩),可以研究它们之间的相互作用。这种替换原子的技术可以应用于基于四态法或最小二乘拟合的能量映射分析。这样,涉及其他位置相互作用的效应就可以有效地避免。然而,这种替换方法可能会使剩余磁性离子的化学环境与没有替换的系统中的化学环境不同。这可能会使相互作用参数的计算不可靠。
3.1.3. Methods Based on Expansions and Selecting Important Terms
3.1.3. 基于展开和选择重要项的方法
传统的能量映射分析需要首先构建一个有效的自旋哈密顿量,然后拟合未确定的参数。然而,给出一个完美的猜测并不容易,尤其是在高阶相互作用至关重要时。这些问题可以通过考虑几乎所有可能的项,利用一些特定的展开和适当的截断来解决。通常,要考虑的可能项太多,所以直接拟合是不切实际的;它至少需要与确定项数相同数量的第一性原理计算,但由于参数太多而可能导致过拟合问题。因此,有必要根据它们对拟合性能的贡献来决定是否将每个项包含在有效自旋哈密顿量中。
在参考文献[145]中,采用 SCE 方法对体心立方和面心立方 Fe 的磁矩相互作用进行展开。基于相互作用距离和相互作用阶数进行截断后,他们考虑了体心立方(面心立方)Fe 中 154(179)个可能的不同相互作用项。他们在 2×2×2 超胞中随机生成了 3954(835)个不同的磁矩配置以进行拟合。他们选择项的方法如下:从仅包含常数项的有效哈密顿量模型开始,尝试将每个可能的项添加到临时模型中,并接受提供最佳拟合性能的那个项,这样一项一项地将项添加到模型中。这种方法是变量选择问题中的正向选择,简单直接,在大多数情况下效果良好。然而,这种方法可能会将不必要的相互作用引入到有效哈密顿量中。
在参考文献[125]中,提出了一种构建哈密顿量(MLMCH)的机器学习方法,该方法比传统的正向选择方法更高效、更可靠。首先,使用测试集来避免过拟合问题。其次,在寻找合适的模型时,不仅考虑添加项,还考虑删除和替换项。因此,如果判断添加的项是不必要的,之后仍可以从模型中移除。使用惩罚因子 ( ),其中 是临时模型中的参数数量, 是给定的参数,与损失函数 (拟合方差)一起使用,以选择参数更少的模型。使用几种技术来减少搜索空间并提高搜索效率,以从成千上万的可能项中选择重要的项。该变量选择方法的流程图以及正向选择方法的流程图如图 5 所示。
图 5. 几种变量选择方法的流程图。在这些流程图中,由训练集和测试集估计的拟合方差分别表示为 和 。(a)采用参考文献[145]的传统正向选择方法。(b)使用测试集检查是否出现过拟合问题的正向选择方法。(c)MLMCH [125]中使用的算法的简化流程图,其中省略了一些细节。使用测试集检查是否出现过拟合问题。更好模型的判据是更小的 ,其中 。有 个 的值,这些值预先设置,保存在数组“lambdas(1: )”中,其组件通常按大小顺序降序排列。对于每个 的值,通过使用判据 选择最佳模型。
这种方法有两个优点:(a) 构建有效自旋哈密顿量全面,减少了遗漏关键相互作用项的可能性;(b) 该方法通用,可以应用于大多数磁性材料。这种方法中所需的平方最小二乘拟合还可以提供参数不确定性的估计。缺点是它需要大量的(通常是数百个)第一性原理计算,当需要非常大的超胞时(尤其是当材料是金属,因此长程相互作用是基本的时候),这可能是不切实际的。生成自旋配置(通常在所有可能方向上随机分布,有时仅适度偏离基态)的方法可能还有改进的空间。
3.2. Green’s Function Method Based on Magnetic-Force Linear Response Theory
3.2. 基于磁力线性响应理论的格林函数方法
在基于磁力线性响应理论的格林函数方法[151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159]中,我们需要基于紧束缚模型的局域基函数 ( 分别表示位置、轨道和自旋索引)。局域基函数可以由 DFT 代码与 Wannier90[160, 161]或基于局域轨道的代码提供。通过定义
格林函数在倒空间和实空间中的定义如下:
基于磁力定理[162],由于扰动(在这种情况下为自旋的旋转)引起的总能量变化等于固定基态势能下单粒子能量的变化:
在轨道上取迹。通过定义
与其组成部分
其中 是由泡利矩阵组成的向量。通过定义
由于位点和位点之间两自旋相互作用的能量变化
经过数学简化, 的表达式可以映射到有效哈密顿模型给出的表达式中。
(包括所有二阶项和一个双曲四阶项)以获得参数的表达式:
使用 (迹也取自轨道),而 表示未受扰动的向量 。可以采用 xyz 平均策略,以便获得某些从一次第一性原理计算中无法获得的分量[157]。
该方法的主要优点是,它只需要进行一次或三次 DFT 计算,就可以获得不同原子之间二阶项和双二次项的所有参数,只需使用一个小超胞(具有足够的 k 点采样)来获得彼此远离的磁矩之间的相互作用参数。因此,与能量映射分析相比,它节省了计算成本,尤其是在长程相互作用至关重要时。它还避免了在 DFT 计算中达到自洽场收敛的困难,这在能量映射分析中可能会发生。这种方法擅长描述接近基态的状态,但可能不擅长描述高能态。一个限制是,这种方法不能获得 SIA 参数,并且其对双二次参数的计算不太可靠[157]。计算出的海森堡参数 混合了其他四阶相互作用的贡献,例如 和 等项。因此,如果这些四阶相互作用中的任何一个至关重要,结果可能不可靠。 另一个小缺陷是,通过获得 Wannier 轨道的过程引入的典型数量级为几个 的噪声[157]。此外,无法通过此方法获得参数的不确定性。
近期一项研究[140]将超过两个自旋的旋转视为扰动,并将 映射到由具有更多类型相互作用的哈密顿量给出的对应量,包括与 、 和 成比例的项。这使得人们能够获得计算相关参数所需的表达式。与上述讨论的二次相互作用相比,这些表达式的推导和形式要复杂得多。这种对传统计算二次相互作用参数方法的推广,在一定程度上解决了忽略其他高阶相互作用效果的问题。然而,消除高阶相互作用对计算海森堡参数(以及其他二次参数)的影响仍然是一项具有挑战性的任务。Wannier 轨道引入的噪声、无法确定 SIA 以及结果参数的不确定性仍然是这种方法的不利之处。此外,与上述讨论的四态方法相比,这种方法不能给出交换相互作用相对于原子位移的导数。
3.3. More Discussions on Calculating Spin Interaction Parameters
3.3. 关于计算自旋相互作用参数的更多讨论
我们应该注意到,对于上述所有方法,都使用了刚性的自旋旋转近似。后者相当于假设自旋的大小在不同配置中应该是恒定的。然而,这并不总是正确的。例如,自旋的大小在铁磁(FM)和反铁磁(AFM)状态下可能略有不同。在参考文献[128]中,采用基于直接最小二乘拟合(使用具有不同 值的配置生成的配置)的能量映射分析来研究 MnGe 和 FeGe 的自旋相互作用,发现通过允许自旋的大小依赖于参数 (决定配置)而不是使用固定的大小,可以增强计算与模型之间的一致性(参见参考文献[128]的补充材料)。通过适当的拟合或插值,可以获得自旋大小与参数 之间的关系,以便对于具有新值 的配置,可以预测自旋的大小和总能量。 尽管如此,对于无法用单个 描述的一般自旋配置,预测自旋的幅度可能非常困难。这就是为什么通常采用有效自旋哈密顿量,并假设自旋的幅度是常数的原因。
另一种对刚性自旋旋转近似的观点,如参考文献[143]所述,即即使自旋的幅度与配置高度相关,总能量也可以通过使用自旋的方向而不是自旋矢量本身作为独立变量(这在数学上等同于假设自旋的幅度是常数)来拟合,并考虑这些变量的适当展开(自旋方向)。例如,假设自旋轨道耦合(SOC)可以忽略(假设在第一性原理计算中 SOC 被关闭),海森堡项 可以表示为 ;自旋的幅度 和 取决于这两个自旋或相邻自旋方向之间的角度(例如, )。因此,
也就是说,当假设自旋大小为常数时,自旋大小与配置的相关性可以转移到更高阶的相互作用中。这些“人工”的高阶项,仅为了补偿这种配置依赖性,物理意义不大,但可以在这种依赖性明显时在一定程度上提高拟合性能。
上述所有方法除了刚性的自旋旋转近似外,还假定磁矩局域在原子上。此外,我们注意到 DFT 计算结果取决于所选的交换关联泛函和 DFT+U 参数的值[157]。
在上面的讨论中,我们假设了周期性边界条件,因为我们主要关注晶体的研究。当处理簇(例如,单分子磁体)时,我们仍然可以将簇排列在晶体中(使用周期性边界条件)[159],并留有足够的真空空间以防止属于不同周期性单元的两个簇之间的相互作用。如果没有周期性边界条件,能量映射分析仍然可以工作,而基于磁力线性响应理论的格林函数方法将失败,因为倒空间未定义。对于没有周期性边界条件的情况,理论化学家已经开发了其他几种方法(例如基于波函数的量子化学方法)来研究磁相互作用[69, 146, 147, 163, 164, 165],这些方法的详细讨论超出了本综述的范围。
自旋相互作用参数还可以通过比较可观测量(如转变温度、磁化率[166]、比热[166]、磁化率[166, 167]和磁振子谱(由非弹性中子散射测量给出[110, 124, 168, 169, 170, 171])的实验结果与有效哈密顿量模型给出的相应预测来获得,这类似于基于最小二乘拟合的能量映射分析的思想。虽然转变温度只能用来粗略估计主要相互作用(通常是最近邻对之间的海森堡相互作用),但磁振子谱可以提供更详细的信息,因此被广泛用于获得相互作用参数。这些实验结果还可以用来检查有效自旋哈密顿量模型及其从第一性原理计算获得的相应参数的可靠性[172]。
4. Conclusions 4. 结论
在这篇综述中,我们总结了有效自旋哈密顿量可能包含的不同类型的自旋相互作用。最近的研究表明,在某些磁性系统中,几种高阶项的重要性,特别是双二次项、四自旋环相互作用、拓扑手性相互作用和手性双二次相互作用。此外,我们还详细讨论了计算有效自旋哈密顿量相互作用参数的各种方法的优缺点。能量映射分析更容易使用,并且如果处理得当,它对高阶相互作用的敏感性较低。与能量映射分析相比,格林函数方法需要较少的第一性原理计算和相对较小的超胞。能量映射分析通常能较好地描述具有不同能量的多种状态,而格林函数方法则能更精确地描述接近基态(或参考态)的状态。这两种方法通常提供相似的结果,并且在磁性材料的研究中都被广泛采用。 我们预期基于第一性原理的有效自旋哈密顿量将继续在研究新型磁态(例如,量子自旋液体和磁 Skyrmions)中发挥关键作用。
Author Contributions 作者贡献
X.L.和 H.Y.对这项工作贡献相同。主题选择:X.L.、F.L.、J.F.和 H.X.;文献检索:X.L.、H.Y.、J.F.、F.L.和 H.X.;分析和讨论:X.L.、H.Y.、J.F.、H.X.和 M.-H.W.;图表:X.L.、H.Y.和 F.L.;撰写初稿:X.L.;审稿和编辑:H.Y.、F.L.、H.X.、M.-H.W.和 J.F.;指导:H.X.。本文稿由所有作者共同撰写。所有作者已阅读并同意发表的手稿版本。
Funding 资助
这项工作得到了国家自然科学基金(11825403,11991061)、特聘教授(东方学者)计划、青年拔尖人才计划的支持。J. S. Feng 感谢安徽省自然科学基金(1908085MA10)和国家重点实验室(复旦大学表面物理国家重点实验室)开放基金(KF2019_07)的支持。
Conflicts of Interest 利益冲突
作者声明不存在利益冲突。
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