[論文レビュー] Neutron Scattering Signatures of Magnon Weyl Points

Saumya Shivam, R. Coldea+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、スピン軌道結合を有する3次元磁性体における磁振子ウェイル点の位相的性質と非弾性中性子散乱（INS）強度を結びつける一般枠組みを確立する。INS断面積がウェイル点近傍で特徴的な強度の異方性を示し、$ abstyle{\hat{\mathbf{n}} \cdot \delta\hat{\mathbf{k}}}$ のようにスケーリングすることを示し、ここで $ abstyle{\hat{\mathbf{n}}}$ は磁性ハミルトニアンによって固定された擬スピン極化の方向である。これにより、位相的磁振子バンド構造の直接的な実験的検出が可能になる。

ABSTRACT

We study the inelastic neutron scattering cross section in the vicinity of touching points in magnon bands. Among the possible touching points are magnon Weyl points in three dimensional ordered magnets with significant spin-orbit coupling that are characterized by a linear dispersion in their vicinity. A Weyl point is topologically protected by its net chirality and here we show that this leads to a characteristic form for the dynamical structure factor. To address this question, we show that scattering intensities in the vicinity of arbitrary magnon two-band touching points are identical to expectation values of the pseudospin polarization along some direction $\hat{\boldsymbol{n}}$ in momentum space fixed by the magnetic Hamiltonian. This approach applied to Weyl points shows that they are singular points in the intensity of the form $\hat{\boldsymbol{n}}\cdot δ\hat{\boldsymbol{k}}$ regardless of the magnetic ground state. We make specific predictions for the experimental signatures of such intensity singularities in several spin models hosting Weyl magnons applicable to candidate materials.

研究の動機と目的

• 非弾性中性子散乱（INS）データにおける磁振子ウェイル点の実験的検出可能なシグネチャを特定すること。
• INS強度と磁振子バンド接触点の擬スピンテクスチャを結びつける一般理論的枠組みを確立すること。
• 位相的保護とキラルバンド構造に起因する、ウェイル点周辺の特定の異方的強度パターンを予測すること。
• ペロブスカイト型および積層ヘキサゴナルフェリ磁性体などの候補材料に関連する現実的なスピンモデルに、この手法を適用すること。
• 強度の異方性の方向（$\hat{\mathbf{n}}$）が局所的な擬スピンテクスチャを符号化しており、ウェイルノードにおける $\mathbf{d}$-ベクトルのマッピングを可能にすること。

提案手法

• 微分散乱断面積はスピン波モードの和として表現され、動的構造因子 $S^{\alpha\beta}(\mathbf{k},\omega)$ は線形 $1/S$ スピン波理論を用いて計算される。
• 2バンド接触点近傍の強度は、磁性ハミルトニアンによって決定される動的方向 $\hat{\mathbf{n}}$ に沿った擬スピン極化の期待値として再定式化される。
• ウェイル点近傍の有効ハミルトニアンは $\mathbf{d}$-ベクトルでパラメータ化され、散乱演算子の方向 $\hat{\mathbf{n}}$ は中性子演算子とスピンター固有状態の重なりから導出される。
• ヘキサゴナル、ペロブスカイト、および積層ヘキサゴナルフェリ磁性体モデルにおける2次元ディラック点および3次元ウェイル点にこの手法を適用する。
• 全動的構造因子の数値計算を2バンドモデルの射影と比較し、解析的予測の妥当性を検証する。
• 異方性軸 $\hat{\mathbf{n}}$ は、ウェイルノードを通って強度が最大から最小に変化する方向として特定され、等エネルギー断面図に「強度アーク」として現れる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁振子ウェイル点近傍における非弾性中性子散乱強度はどのように振る舞い、強度パターンにどのような位相的特徴が符号化されているか？
• RQ2 磁振子バンドのウェイルノード近傍における擬スピンテクスチャは、INSを用いて実験的にプローブ可能か？ もしそうなら、どのように可能か？
• RQ3 ウェイル点における強度特異点の関数的形態は何か？ また、磁性ハミルトニアンにどのように依存するか？
• RQ4 異なる磁性基底状態およびスピン軌道結合は、INSデータにおけるどのような異なる強度の異方性をもたらすか？
• RQ5 外部磁場や対称性の破れを用いて、異方性軸 $\hat{\mathbf{n}}$ の方向を調整可能か、マッピング可能か？

主な発見

• 磁振子ウェイル点近傍のニュートリノ散乱強度は、$\hat{\mathbf{n}} \cdot \delta\hat{\mathbf{k}}$ のようにスケーリングし、ここで $\hat{\mathbf{n}}$ は磁性ハミルトニアンによって固定された擬スピン極化の方向である。この結果、特異な強度パターンが生じる。
• ジャローシュキン＝モリスキー相互作用を有するペロブスカイトフェリ磁性体におけるウェイル点では、異方性軸は磁化方向（例：$[111]$）に一致し、強度がこの軸に沿ってノードの周囲を巻き込む。
• ジャローシュキン＝モリスキー結合を有する積層ヘキサゴナルフェリ磁性体では、ウェイル点 $(k_x, 0, 0)$ における異方性軸は $x$-方向に一致し、全計算と2バンド射影の両方で確認された。
• 強度パターンは等エネルギー断面図に「強度アーク」として現れ、電子的ウェイル半金属におけるフェルミアークに類似した、位相的磁振子バンドの直接的な実験的シグネチャを提供する。
• 磁場を印加することで方向 $\hat{\mathbf{n}}$ を調整可能であり、ウェイルノードにおける $\mathbf{d}$-ベクトルテクスチャの体系的マッピングが可能になる。
• 本手法は一般性を持ち、ディラック点を含むすべての2バンド接触点に適用可能であり、強度パターンは局所的なスピンター・テクスチャと中性子演算子の結合方向によって決定される。