Negative thermal expansion of two-dimensional magnets

马格农 负热膨胀 非谐性 热膨胀 磁铁 凝聚态物理 声子 热的 物理 亥姆霍兹自由能 量子力学 热力学 铁磁性
作者
Shuang Liu,Mengqiu Long,Yun-Peng Wang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:120 (7) 被引量:7
标识
DOI:10.1063/5.0084070
摘要

Thermal expansion phenomena are of both engineering and fundamental interest. The conventional theory of thermal expansion of solids considers anharmonic phonon effects but largely neglects other kind of elementary excitations. A recent experiment reported a negative thermal expansion (NTE) of a two-dimensional magnet CrBr3 at low-temperatures. Our first-principles calculations, if only the effects of atomic vibrations are considered, predict a low-temperature NTE but lower by several orders of magnitude than experimental data. We propose magnetic excitations (magnons) as another important contributor to the NTE. We extend the theory of thermal expansion by including the contribution from magnons to Helmholtz free energy. First-principles calculations based on this theory confirm the dominate role of magnons in the negative thermal expansion of CrBr3 as well as in other two-dimensional magnets.
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