[論文レビュー] Controlling ligand-mediated exchange interactions in periodically driven magnetic materials

Swati Chaudhary, A. Ron+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、周期的駆動が光子補助遷移を介して有効磁気結合を変更することにより、特に遷移金属ジ chalcogenides (TMTCs) を含む二次元磁性材料におけるリガンド媒介交換相互作用を工学的に設計可能であることを示している。Floquet理論および4次摂動理論を用いて、駆動誘発の交換強さの変化が結合角およびリガンドイオン配置に強く依存することを明らかにした。これは、直接遷移モデルを超える磁気基底状態を制御するチューナブルな手段を提供する。

ABSTRACT

A periodic drive could alter the effective exchange interactions in magnetic materials. Here, we explore how exchange pathways affect the effective interactions of periodically driven magnetic materials. Aiming to apply Floquet engineering methods to two-dimensional magnetic materials, we consider realistic models and discuss the effect of a periodic drive on ligand-mediated exchange interactions. We show that depending on bond angles and the number of ligand ions involved in the exchange process, drive-induced changes can be very different from those calculated from direct-hopping models considered earlier. We study these effects and find that the presence of ligand ions must be taken into account, especially for TMTCs where ligand ion mediated next-neighbor interactions play a crucial role in determining the magnetic ground state of the system.

研究の動機と目的

• リガンド媒介経路を有する磁性材料における周期的駆動が有効交換相互作用をどのように変化させるかを調査すること。
• 直接遷移モデルを超えて、リガンドイオンを含む多イオン交換メカニズムを含むFloquet工学を拡張すること。
• 結合幾何学および軌道対称性が、駆動誘発の磁気結合強さの変化に与える影響を特定すること。
• 光を用いた制御によって遷移金属ジ chalcogenide (TMTC) モノレイヤーの磁気基底状態を制御する理論的枠組みを提供すること。
• 周期的駆動下における次近隣交換相互作用において、リガンドイオンが果たす役割を定量すること。

提案手法

• ハニカム格子上のFermi-Hubbardモデルを、半フィルインのモット絶縁体状態で用いる形式的枠組み。
• 光子ドレスド状態を用いて時間周期的ハミルトニアンを有効時間不変系に写像するFloquet理論の適用。
• 拡張されたFloquet基底における2次および4次縮退摂動理論を用いて、有効交換相互作用を計算。
• ペイエルズ置換およびヤコブ＝アンジャー恒等式を導入し、円偏光光による駆動遷移をモデル化。
• 駆動振幅 $ \tilde{\theta} $、周波数 $ \nu $、および結合角 $ \theta $ の関数として有効交換結合 $ J_{\text{ex}} $ を導出。
• 磁性イオンを結ぶリガンドイオン（例：$ d $-軌道）を含む仮想遷移過程の明示的計算により、非自明な角度および対称性依存性を捉える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的駆動は、二次元磁性材料におけるリガンド媒介交換相互作用をどのように変化させるか？
• RQ2 リガンドイオンの結合角および軌道指向性は、周期的駆動下での有効交換結合強さにどのような影響を及えるか？
• RQ3 駆動誘発の交換相互作用の変化は、直接遷移モデルが予測するものとどのように異なるか？
• RQ4 周期的駆動下における遷移金属ジ chalcogenide (TMTC) モノレイヤーの磁気基底状態を決定づける要因として、リガンドイオンは果たす役割は何か？
• RQ5 Floquet工学を用いて、駆動パラメータおよび幾何学的要因の制御により、TMTCにおける次近隣交換相互作用をチューニング可能か？

主な発見

• 有効交換結合 $ J_{\text{ex}} $ は、駆動振幅 $ \tilde{\theta} $、周波数 $ \nu $、およびリガンドと磁性イオンの結合間の角度 $ \theta $ に非自明に依存し、ベッセル関数によって支配される振動的挙動を示す。
• リガンド媒介交換相互作用は強い角度依存性を示す：結合式に $ \text{Re}[\text{cos}(2(n_1 - m_1)\theta)] $ および $ \text{Re}[\text{cos}(2(n - m_1 - n_1)\theta)] $ 項が含まれ、有効交換強度をモodulateする。
• リガンド軌道の相対的配置と駆動場の偏光状態に応じて、結合強度が顕著に増強または抑制される。
• 共鳴外の駆動では、有効交換分裂の主要寄与は、リガンド状態を通る複数光子補助遷移を経る4次仮想過程から生じる。
• リガンドイオンの存在により、直接遷移モデルとは定性的に異なる挙動が生じる。特に、磁気基底状態を支配するリガンド媒介相互作用が顕著なTMTCのような系では顕著である。
• 導出された $ J_{\text{ex}} $ の式には $ \frac{1}{U + n\tilde{\nu}} $ および $ \frac{1}{E_d + n\tilde{\nu}} $ 項が含まれており、局在Coulomb反発項およびリガンドエネルギー準位が交換相互作用のチューナビリティに顕著に寄与することが示された。