[論文レビュー] Nonreciprocal magnon excitations by the Dzyaloshinskii-Moriya interaction on the basis of bond magnetic toroidal multipoles

Takuya Matsumoto, Satoru Hayami|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

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ひとこと要約

本稿は、非中心対称磁性体における非再帰的マグノン励起の微視的メカニズムを、結合磁気トロイダル電気双極子（BMTD）を主要な指標として導入することによって確立する。BMTDは、結合に沿った平均スピンモーメントへのジャローシュキン＝モリオスキー（DM）ベクトルの射影として定義され、マグノンバンドの運動量空間における非対称性を決定する。著者らは、BMTDの活性化が、1次元鎖と3次元ブレージングカグラメットラティスの両方において、底バンドのシフトとバルェークスプリッティングを引き起こすことを示した。

ABSTRACT

The microscopic conditions for the emergence of nonreciprocal magnon excitations in noncentrosymmetric magnets are theoretically investigated. We show that asymmetric magnon excitations appear when a bond magnetic toroidal dipole becomes active, which is defined as a parallel component between the Dzyaloshinskii-Moriya vector and the averaged spin moments at the ends of the bonds. Depending on magnetic structures accompanying the bond magnetic toroidal dipoles, the higher-rank magnetic toroidal multipoles can also be activated in a magnetic cluster, which describes various angle dependences of asymmetric magnon excitations. We demonstrate a variety of asymmetric magnon excitations for two magnetic systems in the noncentrosymmetric lattice structures; a one-dimensional breathing chain under a uniform crystalline electric field and a three-dimensional layered breathing kagome structure. We show that a bottom shift of magnon bands occurs by the magnetic toroidal dipole and a valley splitting occurs by the magnetic toroidal octupole under magnetic orderings.

研究の動機と目的

• 非中心対称磁性系における非再帰的マグノン励起の微視的起源を特定すること。
• 非再帰的マグノン行動の定量的指標として、結合磁気トロイダル電気双極子（BMTD）を確立すること。
• BMTDおよび高ランククラスター磁気トロイダル（CMT）多重極が、非再帰的マグノン分散の運動量空間における関数的形態を支配することを示すこと。
• BMTDフレームワークが、反強磁性および非反強磁性状態を含む、さまざまな磁気秩序状態および空間次元にわたって適用可能であることを示すこと。
• 実際の格子模型において、磁気トロイダル多重極を介した非再帰的マグノンバンド分裂の統一的理論的記述を提供すること。

提案手法

• 結合磁気トロイダル電気双極子（BMTD）を、結合に沿った平均スピンモーメントとDzyaloshinskii-Moriyaa（DM）ベクトルの平行成分として定義する。
• 交互に作用する結合相互作用とDM項を含む局在スピンハミルトニアンからBMTDを導出する。
• スピン演算子をボソン準粒子に写像するためのホルシュタイン＝プリマコフ変換を適用し、ボゴリューボフハミルトニアンを導出する。
• 線形スピン波理論を用いてマグノン分散を計算し、非再帰的バンド非対称性を抽出する。
• 2つのモデル系を分析する：結晶電場下の1次元スピン鎖と、3次元ブレージングカグラメットラティス。
• 対称性に適合した多重極分類を用いて、CMT多重極と特徴的な非再帰的マグノン応答を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非中心対称磁性体における非再帰的マグノン励起を引き起こす微視的条件は何か？
• RQ2 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用は、非再帰的マグノンバンド構造をどのように生成するか？
• RQ3 結合磁気トロイダル電気双極子（BMTD）は、マグノン分散の運動量空間における非対称性をどのように決定するか？
• RQ4 高ランク磁気トロイダル多重極（CMT）は、非再帰的マグノン励起の角度依存性にどのように寄与するか？
• RQ5 BMTDフレームワークは、さまざまな磁気秩序状態および格子幾何学にわたって非再帰的マグノン行動を予測・分類できるか？

主な発見

• 非再帰的マグノン励起は、結合磁気トロイダル電気双極子（BMTD）が非ゼロである場合に発生し、これは結合に沿った平均スピンモーメントへのDMベクトルの射影として定義される。
• 磁気トロイダル双極子（BMTD）の影響により、1次元鎖の強磁性および反強磁性状態の両方で、マグノンバンドの底がずれる。
• 3次元ブレージングカグラメット系における磁気秩序下で、磁気トロイダル八重極（高ランクCMT多重極）がマグノン分散のバルェークスプリッティングを引き起こす。
• BMTDフレームワークは、反強磁性および非反強磁性状態を含む、さまざまな磁気秩序状態における非再帰的マグノン行動を的確に分類できる。
• モデルは、1次元鎖と3次元カグラメットラティスにおいて、γ′の符号および磁気構造に応じた定量的差異を示す、特徴的な非再帰的バンド分散を予測する。
• 本研究は、BMTDの空間的分布と、運動量空間における非再帰的マグノン分散の関数的形態との直接的な関連を確立した。