[論文レビュー] Floquet Weyl Magnons

S. A. Owerre|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 74被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、フロケ・ブロッホ理論を用いて有効な時間反転対称性の破れを誘導する円偏光光照射によって、三次元量子スピン系における磁気フォノンウェイル点の実現を提案する。主な結果は、ディラックノードライン系およびギャップを持つトレivial絶縁体系の両方において、調整可能なトポロジカル保護された磁気フォノンウェイル点が発現することであり、バンド構造、ベリー曲率、および異常な熱ホール効果の計算によって確認されている。

ABSTRACT

In three-dimensional (3D) quantum magnets, magnonic Weyl points (WPs) featuring linear band crossing of two non-degenerate magnon branches can emerge in certain lattice geometry when time-reversal symmetry is broken macroscopically. Unfortunately, there are very limited 3D quantum magnets that host magnonic WPs, and they are yet to be observed experimentally because the intrinsic perturbative interactions that break time-reversal symmetry macroscopically can be very negligible. Here, we present an alternative means via photo-irradiation, in which magnonic WPs can emerge in 3D quantum magnets without relying on intrinsic perturbative interactions to break time-reversal symmetry. By utilizing the magnonic Floquet-Bloch theory, we put forward the general theory of magnonic Floquet WPs in 3D quantum magnets. We show that periodically driven 3D magnonic Dirac nodal-line (DNL) and 3D magnonic gapped trivial insulators can generate 3D magnonic Floquet WPs, which can be tuned by the incident circularly-polarized light. We demonstrate the existence of magnonic Floquet WPs by combining the study of the magnon dispersions, Berry curvatures, and the anomalous thermal Hall effect. The general theoretical formalism can be applied to different magnetic insulators, and thus extending the concept of magnonic WPs to a broader class of 3D magnetically ordered systems.

研究の動機と目的

• 弱い内在的時間反転対称性の破れ相互作用に起因する、三次元量子スピン系における磁気フォノンウェイル点の観測における実験的課題に対処すること。
• 内在的摂動的相互作用に依存しない、トポロジカルに保護された磁気フォノンウェイル点を実現する代替メカニズムの探求。
• 周期的光照射を用いて、磁気フォノンウェイル点の概念をより広いクラスの磁性絶縁体へと拡張すること。
• フロケ・ブロッホ理論とトポロジカル不変量を用いて、磁気フォノンフロケウェイル点の一般的な理論枠組みを確立すること。
• 磁気フォノン分散、ベリー曲率、および異常な熱ホール効果を通じて、これらの状態の存在を実証すること。

提案手法

• 円偏光光照射下における周期的に駆動される三次元量子スピン系を記述するため、磁気フォノンフロケ・ブロッホ理論を用いる。
• 時間に依存する摂動論を用いて有効フロケハミルトニアンを導出し、光誘発のベクトルポテンシャルおよびアハラノフ＝カッシャー位相を組み込む。
• 系を、時間周期的な電磁場と結合する磁気双極子モーメントを持つ質量ゼロの中性粒子としてモデル化し、ディラック＝パウリラグランジアンを適用する。
• 運動量空間における有効ハミルトニアンを計算し、ホッピング積分のベッセル関数による変調を通じて、光で調整可能なウェイエル点の形成を示す。
• トポロジカル不変量（ベリー曲率）を分析し、異常な熱ホール効果を定量的に評価することで、ウェイエル点の特徴を確認する。
• フロケ理論の形式的枠組みを、ディラックノードライン系およびギャップを持つトレivial絶縁体系の両方へ適用し、磁気フォノンウェイエル点の普遍的発現を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内在的時間反転対称性の破れ相互作用に依存せずに、三次元量子スピン系における磁気フォノンウェイエル点を誘発できるか？
• RQ2 円偏光光が、磁性絶縁体系におけるトポロジカルに保護された磁気フォノンウェイエル点の形成をどのように駆動するか？
• RQ3 アハラノフ＝カッシャー効果は、周期的に駆動される系におけるフォノンの有効ゲージ場の生成に果たす役割は何か？
• RQ4 異常な熱ホール効果は、光照射系における磁気フォノンウェイエル点の強固な実験的シグネチャーとして機能できるか？
• RQ5 フロケ工学的手法は、三次元磁性絶縁体の異なるクラスにまで一般化可能か、その範囲はどの程度か？

主な発見

• 内在的時間反転対称性の破れが存在しない状況下でも、円偏光光照射下において三次元量子スピン系に磁気フォノンウェイエル点が発現する。
• 入射光の強度および偏光状態を用いることで、ウェイエル点が調整可能であり、トポロジカル磁気フォノン状態の動的制御が可能となる。
• フロケ・ブロッホ理論から導かれた有効ハミルトニアンは、光誘発のベッセル関数によるホッピング項の変調を示し、線形バンドクロスイングを生成する。
• ウェイエル点の周囲に非ゼロのベリー曲率が存在し、運動量空間におけるモノポールとしてのトポロジカル性が確認される。
• 有限の異常な熱ホール信号が予測され、磁気フォノンウェイエル点の測定可能な実験的シグネチャーが得られる。
• このメカニズムは、ディラックノードライン系およびギャップを持つトレivial絶縁体系の両方に普遍的に適用可能であり、候補材料の範囲が著しく拡大される。