[論文レビュー] Dzyaloshinskii-Moriya Induced Topological Magnon-Phonon Hybridization in 2D Antiferromagnetic Insulators with Tunable Chern Numbers

Bowen Ma, Gregory A. Fiete|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、鏡対称性が破れた2次元反強磁性絶縁体において、フォノンによって誘起されるDzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）が、調整可能なチエルン数を有するトポロジカルな磁気フォノン-プレオンバンドを生じることを提案する。外部磁場を調整することで、非自明なベリー曲率と量子化された熱ホール伝導度を示し、スピン誘起のヘリカルフォノンがバルクホール効果の検出可能なシグネチャーとして現れる。

ABSTRACT

We theoretically study magnon-phonon hybrid excitations (magnon-polarons) in two-dimensional antiferromagnets on a honeycomb lattice. With an in-plane Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) allowed from mirror symmetry breaking from phonons, we find non-trivial Berry curvature around the anti-crossing rings among magnon and both optical and acoustic phonon bands, which gives rise to finite Chern numbers. We show that the Chern numbers of the magnon-polaron bands can be manipulated by changing the magnetic field direction or strength. We evaluate the thermal Hall conductivity reflecting the non-trivial Berry curvatures of magnon-polarons and propose a valley Hall effect resulting from spin-induced chiral phonons as a possible experimental signature. Our study complements prior work on magnon-phonon hybridized systems without optical phonons and suggests possible applications in spin caloritronics with topological magnons and chiral phonons.

研究の動機と目的

• フォノンによる対称性の破れによって誘起される面内Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）を有する2次元ヘキサゴナル格子反強磁性体におけるフォノン-磁気フォノン混合を調査すること。
• フォノンから生じるDMIが、磁気フォノン-プレオンバンドに非自明なベリー曲率を生成するメカニズムを明らかにすること。
• 外部磁場の強度と方向を変化させることで、磁気フォノン-プレオンバンドのチエルン数を調整可能であることを示すこと。
• 非自明なトポロジーを反映する指標として、熱ホール伝導度を評価すること。
• スピン誘起のヘリカルフォノンを介したバルクホール効果を提案し、実験的に検出可能なシグネチャーとしての可能性を示すこと。

提案手法

• 鏡対称性を破るスピン-フォノン結合を有する2次元ヘキサゴナル格子反強磁性体の理論的モデルを構築し、面内DMIを可能にする。
• 光学フォノンモードおよび音響フォノンモードと磁気フォノンモードを含む、フォノン-磁気フォノン結合ハミルトニアンを導出する。
• 結合系の固有状態を用いて、ハイブリダイズド磁気フォノン-プレオンバンドのベリー曲率およびチエルン数を計算する。
• 磁場を印加することで、磁気フォノン分散を調整し、ハイブリダイズドバンドのトポロジカル性を制御する。
• 磁場の関数としての熱ホール伝導度を評価し、磁気フォノン-プレオン系における非自明なトポロジーを反映させる。
• スピン配置に起因するヘリカルフォノンの出現を分析し、バルクホール輸送の実験的シグネチャーとしての可能性を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォノンによって誘起されるDzyaloshinskii-Moriya相互作用は、2次元反強磁性体におけるトポロジカルな磁気フォノン-プレオンバンドをどのように生成するか？
• RQ2 磁場の強度と方向を変化させることで、磁気フォノン-プレオンバンドのチエルン数を調整可能か？
• RQ3 非自明なベリー曲率は、磁気フォノン-プレオン系における量子化された熱ホール伝導度を生成する上で果たす役割は何か？
• RQ4 スピン誘起のヘリカルフォノンはどのようにして出現し、バルクホール効果の検出可能なシグネチャーとして機能するか？
• RQ5 光学フォノンと音響フォノンの両方を含めることで、磁気フォノン-プレオンバンドのトポロジカル性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• フォノンによって誘起されるDzyaloshinskii-Moriya相互作用が、磁気フォノンとフォノンバンドの間で反交差リングを生成し、非自明なベリー曲率を生じる。
• 磁場の方向と強度を変化させることで、磁気フォノン-プレオンバンドのチエルン数を調整可能であり、トポロジカル相の動的制御が可能となる。
• 非自明なベリー曲率に起因し、有限の熱ホール伝導度が観測され、トポロジカルな磁気フォノン-プレオンの実験的シグネチャーとして利用可能となる。
• スピン配置に起因するスピン誘起ヘリカルフォノンが出現し、バルクホール効果の実験的検出シグネチャーとしての可能性を示す。
• 光学フォノンと音響フォノンの両方を含めることで、従来の光学モードを無視したモデルに比べ、トポロジカルバンド構造がより豊かに拡張される。
• 量子化された輸送特性を有するトポロジカルな磁気フォノン-プレオンが実現可能であり、スピンカロリトロニクスおよびトポロジカルスピントロニクスへの応用が示唆される。