Revealing the Altermagnetism in Hematite via XMCD Imaging and Anomalous Hall Electrical Transport

. 2025 Oct ; 37 (41) : e05019. [epub] 20250729

Status PubMed-not-MEDLINE Jazyk angličtina Země Německo Médium print-electronic

Typ dokumentu časopisecké články

Perzistentní odkaz   https://www.medvik.cz/link/pmid40728268

Grantová podpora
268565370 Deutsche Forschungsgemeinschaft
CRC TRR 288 - 422213477 Deutsche Forschungsgemeinschaft
262633 Norges Forskningsråd
2021M3F3A2A01037525 National Research Foundation of Korea

Altermagnets are a class of magnetic materials that exhibit unconventional transport properties, such as an anomalous Hall effect (AHE), despite having compensated sublattice magnetic moments. In this study, fundamental experimental evidence of the altermagnetic nature of hematite (α-Fe2O3), is reported combining electrical transport with advanced X-ray photoemission electron microscopy (XPEEM) imaging with linear and circular dichroism contrast. These measurements directly visualize the Néel vector's coupling to the crystal orientation, confirming hematite's altermagnetic order and its symmetry-driven transport behavior. The transport measurements reveal an anisotropic AHE with a pronounced crystal orientation dependence, including a sign inversion for specific Néel vector alignments. Supported by first-principles theoretical calculations, how the interplay between collinear spin and crystal symmetry breaking drives the observed AHE is explained. These findings establish hematite as an altermagnet, paving the way for experimental identification of altermagnetic materials and their integration into spintronic technologies.

Zobrazit více v PubMed

Šmejkal L., González‐Hernández R., Jungwirth T., Sinova J., Sci. Adv. 2020, 6, eaaz8809. PubMed PMC

Šmejkal L., Sinova J., Jungwirth T., Phys. Rev. X 2022, 12, 031042.

Bai Y., Xiang X., Pan S., Zhang S., Chen H., Chen X., Han Z., Xu G., Xu F., Applied Physics Letters 2025, 126, 042402.

Urata T., Hattori W., Ikuta H., Physical Review Materials 2024, 8, 084412.

Gonzalez Betancourt R. D., Zubáč J., Gonzalez‐Hernandez R., Geishendorf K., Šobáň Z., Springholz G., Olejník K., Šmejkal L., Sinova J., Jungwirth T., Goennenwein S. T. B., Thomas A., Reichlová H., Železný J., Kriegner D., Phys. Rev. Lett. 2023, 130, 036702. PubMed

Reichlova H., Lopes Seeger R., González‐Hernández R., Kounta I., Schlitz R., Kriegner D., Ritzinger P., Lammel M., Leiviskä M., Birk Hellenes A., Olejník K., Petřiček V., Doležal P., Horak L., Schmoranzerova E., Badura A., Bertaina S., Thomas A., Baltz V., Michez L., Sinova J., Goennenwein S. T. B., Jungwirth T., Šmejkal L., Nat. Commun. 2024, 15, 4961. PubMed PMC

Feng Z., Zhou X., Šmejkal L., Wu L., Zhu Z., Guo H., González‐Hernández R., Wang X., Yan H., Qin P., Zhang X., Wu H., Chen H., Meng Z., Liu L., Xia Z., Sinova J., Jungwirth T., Liu Z., Nat. Electron. 2022, 5, 735.

Bai H., Zhang Y. C., Zhou Y. J., Chen P., Wan C. H., Han L., Zhu W. X., Liang S. X., Su Y. C., Han X. F., Pan F., Song C., Phys. Rev. Lett. 2023, 130, 216701. PubMed

Biniskos N., dos Santos F. J., dos Santos Dias M., Raymond S., Schmalzl K., Steffens P., Persson J., Marzari N., Blügel S., Lounis S., Brückel T., APL Materials 2023, 11, 081103.

Ma H.‐Y., Hu M., Li N., Liu J., Yao W., Jia J.‐F., Liu J., Nature Communications 2021, 12, 2846. PubMed PMC

Šmejkal L., MacDonald A. H., Sinova J., Nakatsuji S., Jungwirth T., Nat. Rev. Mater. 2022, 7, 482.

González‐Hernández R., Šmejkal L., Výborný K., Yahagi Y., Sinova J., Jungwirth T., Železný J., Physical Review Letters 2021, 126, 127701. PubMed

Kipp J., Samanta K., Lux F. R., Merte M., Go D., Hanke J.‐P., Redies M., Freimuth F., Blügel S., Ležaić M., Commun. Phys. 2021, 4, 99.

Shindou R., Nagaosa N., Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 116801. PubMed

Šmejkal L., Mokrousov Y., Yan B., MacDonald A. H., Nat. Phys. 2018, 14, 242.

Wang L., Shen K., Tsirkin S. S., Min T., Xia K., Appl. Phys. Lett. 2022, 120, 012403.

Samanta K., Ležaić M., Merte M., Freimuth F., Blügel S., Mokrousov Y., J. Appl. Phys. 2020, 127, 213904.

Shao D.‐F., Ding J., Gurung G., Zhang S.‐H., Tsymbal E. Y., Phys. Rev. Appl. 2021, 15, 024057.

Reimers S., Odenbreit L., Šmejkal L., Strocov V. N., Constantinou P., Hellenes A. B., Jaeschke Ubiergo R., Campos W. H., Bharadwaj V. K., Chakraborty A., Denneulin T., Shi W., Dunin‐Borkowski R. E., Das S., Kläui M., Sinova J., Jourdan M., Nat. Commun. 2024, 15, 2116. PubMed PMC

Krempaský J., Šmejkal L., D'Souza S. W., Hajlaoui M., Springholz G., Uhlířová K., Alarab F., Constantinou P. C., Strocov V., Usanov D., Pudelko W. R., González‐Hernández R., Birk Hellenes A., Jansa Z., Reichlová H., Šobáň Z., Gonzalez Betancourt R. D., Wadley P., Sinova J., Kriegner D., Minár J., Dil J. H., Jungwirt T., Nature 2024, 626, 517. PubMed PMC

Lee S., Lee S., Jung S., Jung J., Kim D., Lee Y., Seok B., Kim J., Park B. G., Šmejkal L., Kang C.‐J., Kim C., Phys. Rev. Lett. 2024, 132, 036702. PubMed

Amin O. J., Dal Din A., Golias E., Niu Y., Zakharov A., Fromage S. C., Fields C. J. B., Heywood S. L., Cousins R. B., Maccherozzi F., Krempaský J., Dil J. H., Kriegner D., Kiraly B., Campion R. P., Rushforth A. W., Edmonds K. W., Dhesi S. S., Šmejkal L., Jungwirth T., Wadley P., Nature 2024, 636, 348. PubMed PMC

Bose A., Schreiber N. J., Jain R., Shao D.‐F., Nair H. P., Sun J., Zhang X. S., Muller D. A., Tsymbal E. Y., Schlom D. G., Ralph D. C., Nat. Electron. 2022, 5, 267.

Fedchenko O., Minár J., Akashdeep A., D'Souza S. W., Vasilyev D., Tkach O., Odenbreit L., Nguyen Q., Kutnyakhov D., Wind N., Wenthaus L., Scholz M., Rossnagel K., Hoesch M., Aeschlimann M., Stadtmüller B., Kläui M., Schönhense G., Jungwirth T., Hellenes A. B., Jakob G., Šmejkal L., Sinova J., Elmers H.‐J., Sci. Adv. 2024, 10, eadj4883. PubMed PMC

Morin F. J., Phys. Rev. 1950, 78, 819.

Ross A., Lebrun R., Gomonay O., Grave D. A., Kay A., Baldrati L., Becker S., Qaiumzadeh A., Ulloa C., Jakob G., Kronast F., Sinova J., Duine R., Brataas A., Rothschild A., Kläui M., Nano Lett. 2020, 20, 306. PubMed

Dannegger T., Deák A., Rózsa L., Galindez‐Ruales E., Das S., Baek E., Kläui M., Szunyogh L., Nowak U., Phys. Rev. B 2023, 107, 184426.

Baltz V., Manchon A., Tsoi M., Moriyama T., Ono T., Tserkovnyak Y., Rev. Mod. Phys. 2018, 90, 015005.

Meer H., Gomonay O., Wittmann A., Kläui M., Appl. Phys. Lett. 2023, 122, 080502.

Jani H., Lin J.‐C., Chen J., Harrison J., Maccherozzi F., Schad J., Prakash S., Eom C.‐B., Ariando A., Venkatesan T., Radaelli P. G., Nature 2021, 590, 74. PubMed

Ross A., Lebrun R., Baldrati L., Kamra A., Gomonay O., Ding S., Schreiber F., Backes D., Maccherozzi F., Grave D. A., Rothschild A., Sinova J., Kläui M., Appl. Phys. Lett. 2020, 117, 242405.

Acket G. A., Volger J., Physica 1966, 32, 1543.

Rettie A. J. E., Chemelewski W. D., Wygant B. R., Lindemuth J., Lin J.‐F., Eisenberg D., Brauer C. S., Johnson T. J., Beiswenger T. N., Ash R. D., Li X., Zhou J., Mullins C. B., J. Mater. Chem. C 2016, 4, 559.

Zhao B., Kaspar T. C., Droubay T. C., McCloy J., Bowden M. E., Shutthanandan V., Heald S. M., Chambers S. A., Phys. Rev. B 2011, 84, 245325.

Vlasov K., Rosenberg E. A., Titova A. G., Yakovlev Y. M., Sov. Phys.‐Solid State 1980, 22, 967.

Ovsyannikov S. V., Morozova N. V., Karkin A. E., Shchennikov V. V., Phys. Rev. B 2012, 86, 205131.

Gharibi E., Hbika A., Dupre B., Gleitzer C., Chem. Inform. 1990, 21, 43.

Paudel T. R., Zakutayev A., Lany S., d'Avezac M., Zunger A., Advanced Functional Materials 2011, 21, 4493.

Robertson J., Clark S. J., Phys. Rev. B 2011, 83, 075205.

Pan H., Meng X., Liu D., Li S., Qin G., Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 22179. PubMed

Lebrun R., Ross A., Gomonay O., Bender S. A., Baldrati L., Kronast F., Qaiumzadeh A., Sinova J., Brataas A., Duine R. A., Kläui M., Communications Physics 2019, 2, 50.

Ross A., Lebrun R., Ulloa C., Grave D. A., Kay A., Baldrati L., Kronast F., Valencia S., Rothschild A., Kläui M., Phys. Rev. B 2020, 102, 094415.

Hoyer R., Stavropoulos P. P., Razpopov A., Valentí R., Šmejkal L., Mook A., arXiv:2503.11623 2025.

Supporting information, See Supporting Information for a comprehensive account of the fabrication procedures and sample quality, 2025,

Fabian K., Robinson P., McEnroe S. A., Heidelbach F., Hirt A. M., Experimental Study of the Magnetic Signature of Basal‐Plane Anisotropy in Hematite, Springer Netherlands, Dordrecht, 2011, pp. 311–320, ISBN 978‐94‐007‐0323‐0.

Besser P. J., Morrish A. H., Searle C. W., Phys. Rev. 1967, 153, 632.

Foner S., Phys. Rev. 1963, 130, 183.

Wittmann A., Gomonay O., Litzius K., Kaczmarek A., Kossak A. E., Wolf D., Lubk A., Johnson T. N., Tremsina E. A., Churikova A., Büttner F., Wintz S., Mawass M.‐A., Weigand M., Kronast F., Scipioni L., Shepard A., Newhouse‐Illige T., Greer J. A., Schütz G., Birge N. O., Beach G. S. D., Physical Review B 2022, 106, 224419.

Meer H., Gomonay O., Schmitt C., Ramos R., Schnitzspan L., Kronast F., Mawass M.‐A., Valencia S., Saitoh E., Sinova J., Baldrati L., Kläui M., Phys. Rev. B 2022, 106, 094430.

Ebert H., Ködderitzsch D., Minár J., Rep. Prog. Phys. 2011, 74, 096501.

Amin V. P., Li J., Stiles M. D., Haney P. M., Phys. Rev. B 2019, 99, 220405.

Ayino Y., Xu P., Tigre‐Lazo J., Yue J., Jalan B., Pribiag V. S., Phys. Rev. Mater. 2018, 2, 031401.

Grave D. A., Dotan H., Levy Y., Piekner Y., Scherrer B., Malviya K. D., Rothschild A., J. Mater. Chem. A 2016, 4, 3052.

Perloff D. S., Solid State Electron. 1977, 20, 681.

Morrish A.,

Malviya K. D., Dotan H., Shlenkevich D., Tsyganok A., Mor H., Rothschild A., J. Mater. Chem. A 2016, 4, 3091.

Lebrun R., Ross A., Bender S. A., Qaiumzadeh A., Baldrati L., Cramer J., Brataas A., Duine R. A., Kläui M., Nature 2018, 561, 222. PubMed PMC

Artman J. O., Murphy J. C., Foner S., Phys. Rev. 1965, 138, A912.

Dzyaloshinsky I., J. Phys. Chem. Solids 1958, 4, 241.

Kresse G., Furthmüller J., Phys. Rev. B 1996, 54, 11169. PubMed

Mostofi A. A., Yates J. R., Lee Y.‐S., Souza I., Vanderbilt D., Marzari N., Comput. Phys. Commun. 2008, 178, 685.

Galindez‐Ruales E., Gonzalez‐Hernandez R., Kläui M., Zenodo, 2025, 10.5281/zenodo.16457107 DOI

Najít záznam

Citační ukazatele

Pouze přihlášení uživatelé

Možnosti archivace

Nahrávání dat ...