[論文レビュー] Microscopic theory of electrically induced spin torques in magnetic Weyl semimetals

Daichi Kurebayashi, Kentaro Nomura|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 84被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、磁性ウェイル半金属における電気的に誘発されるスピントーキーの微視的理論を提示し、スピン軌道トーキーが軸電流密度に比例する一方、スピン移動トーキーとβ項が系の位相的構造のおかげで存在しないことを示している。電荷に起因するスピントーキーは、ねじれ異常（chiral anomaly）に起因し、モデルにおけるスピン演算子と軸電流演算子の間の関係によって生じる。

ABSTRACT

We theoretically study electrical responses of magnetization in Weyl semimetals. The Weyl semimetal is a new class of topological semimetals, possessing hedgehog type spin textures in momentum space. Because of this peculiar spin texture, an interplay of electron transport and spin dynamics might provide new method to electrical control of magnetization. In this paper, we consider the magnetically doped Weyl semimetals, and systematically study current- and charge-induced spin torque exerted on the local magnetization in three-dimensional Dirac-Weyl metals. We determine all current-induced spin torques including spin-orbit torque, spin-transfer torque, and the so-called $\beta$-term, up to first order with respect to spatial and temporal derivation and electrical currents. We find that spin-transfer torque and $\beta$-term are absent while spin-orbit torque is proportional to the axial current density. We also calculate the charge-induced spin torque microscopically. We find the charge-induced spin torque originates from the chiral anomaly due to the correspondence between spin operators and axial current operators in our model.

研究の動機と目的

• 磁性ウェイル半金属における電荷に起因するスピントーキーの微視的基盤を確立すること。
• 3次元ディラック＝ウェイル金属における電流および電荷に起因するスピントーキーを体系的に計算すること。
• この位相的系においてスピン移動トーキーとβ項が存在しない理由を明確にすること。
• 電荷に起因するスピントーキーの起源をねじれ異常メカニズムによって特定すること。
• 連続モデルにおけるスピン軌道トーキーおよび電荷に起因するトーキーの解析的表現を提供すること。

提案手法

• 局所的磁性モーメントを有する磁性ウェイル半金属の連続モデルを構築した。
• 線形応答理論を用いて、時間および空間勾配の1次まででスピン密度 ⟨ˆσ(r)⟩ を計算した。
• 電流および電荷密度に起因する寄与を含むランダウ＝リフシッツ＝ギルバート方程式を通じてスピントーキーを計算した。
• スピン-運動量ロックインに起因して、スピン軌道トーキーが軸電流密度に比例することを特定した。
• スピンと軸電流演算子の対応関係を通じて、電荷に起因するトーキーをねじれ異常と結びつけた。
• ノード間散乱を無視することで、有効ハミルトニアンにおける局所的ねじれゲージ対称性を維持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性ウェイル半金属における電荷に起因するスピントーキーの微視的起源は何か？
• RQ2 この系における電流に起因するスピントーキー（スピン軌道、スピン移動、β項）はどのように振る舞うか？
• RQ3 一般に予想されるにもかかわらず、なぜスピン移動トーキーとβ項が磁性ウェイル半金属に存在しないのか？
• RQ4 ねじれ異常はスピントーキー生成においてどのように現れるか？
• RQ5 軸電流が存在する場合のスピン軌道トーキーの解析的形は何か？

主な発見

• スピン軌道トーキーは、ウェイル半金属におけるスピン-運動量ロックインに起因し、軸電流密度に比例する。
• スピン移動トーキーとβ項が、モデルにおける輸送とスピンダイナミクスの特定の対応関係のおかげで存在しない。
• 電荷に起因するスピントーキーはねじれ異常によって生じ、スピン演算子と軸電流演算子の間の直接的な関係がある。
• 電荷に起因するスピントーキーの解析的形は、以前の物性的予測と一致する。
• スピン移動トーキーとβ項の不在は、系の位相的構造と対称性制約によって説明できる。
• ノード間散乱を無視することで、局所的ねじれゲージ対称性を持つ系への一貫した写像がモデルによって支持される。