[論文レビュー] Magnon triple points, topological transitions, and thermal Hall effect in pyrochlore iridates

Kyusung Hwang, Nandini Trivedi+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、全-in全-out反強磁性秩序を持つペロブスカイト型イリジエートスのスピン波バンド構造において、三重点トポロジカル半金属のボソン的アナログを提案する。Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用を調整することで、三つの異なるトポロジカル領域が出現し、それぞれが特徴的な三重点配置を示す。熱ホール電導度は、実験的プローブとしての鍵的役割を果たし、各領域で顕著に異なる応答を示す。これにより、実材料におけるDM相互作用の強さの推定が可能になる。

ABSTRACT

Triple points, triply degenerate band crossings, have been recently identified as a new type of fermion realized in electronic systems. We present a bosonic analog of a triple point topological semimetal. We theoretically show that such triple points can arise in the magnon band structure of pyrochlore iridates with the all-in-all-out antiferromagnetic order. By controlling the strength of Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction in our spin model, we find three distinct regimes of magnon band topology, distinguished by different configurations of triple points in the Brillouin zone. We calculate the thermal Hall conductivity as an experimental probe of the magnon band topology. We find that the three regimes exhibit qualitatively different magnon thermal Hall effect. Particularly, in a regime relevant for real materials, the system shows a characteristic thermal Hall response that can be used to estimate the size of the DM interaction in experiments.

研究の動機と目的

• ペロブスカイト型イリジエートスのスピン波バンドにおける三重点フェルミオンのボソン的アナログを特定すること。
• Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用の変化がスピン波バンドトポロジーむに与える影響を調査すること。
• スピン波系におけるトポロジカル遷移の実測可能な印としての熱ホール電導度を確立すること。
• 実材料における観測可能な熱ホール応答とDM相互作用の強さとの間の定量的関係を提示すること。

提案手法

• ヘイゼンベルグ交換相互作用とDzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用を含むペロブスカイト型イリジエートスのスピンハミルトニアンを構築する。
• スピンモデルをホルシュタイン＝プリマコフ変換を用いてスピン波励起に写像する。
• 運動量空間における三重点簡約の特定を目的としてスピン波バンド構造を分析する。
• ブリユアンゾーン内における三重点の配置と安定性に基づき、トポロジカル相を分類する。
• 線形応答理論を用いて熱ホール電導度を計算し、トポロジカル秩序をプローブする。
• 理論的予測を実験的観測と比較し、DM相互作用の強さを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペロブスカイト型イリジエートスのスピン波バンド構造に、電子的三重点に類似した三重点ノードが出現可能か？
• RQ2 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用を調整することで、スピン波スペクトルにどのように異なるトポロジカル相が生じるか？
• RQ3 これらの系におけるスピン波バンドトポロジーむに、熱ホール電導度が果たす役割は何か？
• RQ4 三つの特定された領域における三重点のトポロジカル配置は、どのように異なるか？
• RQ5 熱ホール応答を用いて、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用の大きさを実験的に推定できるか？

主な発見

• 三つの異なるトポロジカル領域がスピン波バンド構造で特定され、それぞれがブリルアンゾーン内における三重点の固有の配置を特徴づける。
• Dzyaloshinskii-Moriya相互作用の強さに起因するトポロジカル遷移が、系に現れる。
• 熱ホール電導度は、三つの領域で顕著に異なる応答を示し、特徴的な実験的シグネチャーとして機能する。
• 実材料に近い領域では、熱ホール応答が特徴的なパターンを示し、DM相互作用の強さの推定が可能になる。
• スピン波の熱ホール効果は、ペロブスカイト型イリジエートスにおけるトポロジカル秩序の直接的な実験的プローブおよび定量的評価の道筋を提供する。