[論文レビュー] Phonon Hall Viscosity in Magnetic Insulators

Mengxing Ye, L. Savary+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、外部磁場下におけるスピン-格子結合に起因する磁性絶縁体におけるフォノンホール粘性（PHV）を計算するための体系的理論枠組みを提示する。対称性解析と微視的場理論を用いて、非ゼロのPHVが生じる一般基準を導出し、時間反転対称性および特定の鏡対称性が破れた場合にPHVが生じることを示した。さらに、銅酸化物Sr2CuO2Cl2におけるPHV係数を明示的に計算し、スピン相関関数と関連づけ、音響ファラデー回転および熱的ホール効果を用いた実験的検出を可能にする。

ABSTRACT

The Phonon Hall Viscosity is the leading term evincing time-reversal symmetry breaking in the low energy description of lattice phonons. It may generate phonon Berry curvature, and can be observed experimentally through the acoustic Faraday effect and thermal Hall transport. We present a systematic procedure to obtain the phonon Hall viscosity induced by phonon-magnon interactions in magnetic insulators under an external magnetic field. We obtain a general symmetry criterion that leads to non-zero Faraday rotation and Hall conductivity, and clarify the interplay between lattice symmetry, spin-orbit-coupling, external magnetic field and magnetic ordering. The symmetry analysis is verified through a microscopic calculation. By constructing the general symmetry-allowed effective action that describes the spin dynamics and spin-lattice coupling, and then integrating out the spin fluctuations, the leading order time-reversal breaking term in the phonon effective action, i.e. the phonon Hall viscosity, can be obtained. The analysis of the square lattice antiferromagnet for a cuprate Mott insulator, Sr$_2$CuO$_2$Cl$_2$, is presented explicitly, and the procedure described here can be readily generalized to other magnetic insulators.

研究の動機と目的

• 磁気的弾性結合によって駆動される磁性絶縁体におけるフォノンホール粘性（PHV）の一般理論枠組みを確立すること。
• 特に外部磁場およびスピン秩序の存在下でPHVが非ゼロとなる対称性条件を同定すること。
• 音響ファラデー回転や熱的ホール伝導度といった測定可能な量とPHVを結びつけること。
• 有効場理論およびスピン1/S展開を用いて、正方格子反強磁性体Sr2CuO2Cl2におけるPHV係数の微視的導出を提供すること。

提案手法

• 磁性絶縁体におけるスピンダイナミクスおよびスピン-格子結合の一般対称性許容有効作用を構築する。
• スピン自由度を統合することで、フォノン有効作用における時間反転奇関数項（PHVに対応）を導出する。
• 群論を用いてひずみおよびスピン演算子の既約表現を分類し、許可されたPHVチャネルを同定する。
• 1/S展開を用いて、⟨m_y n_z⟩などのスピン相関関数で表されるPHV係数を計算する。
• 垂直方向および平面内磁場配置を分析し、対称性に起因するPHV項の消滅を特定する。
• 運動量空間におけるPHV項の明示的表現を導出し、フォノンベリー曲率および実験的観測量と関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場下における磁性絶縁体でフォノンホール粘性（PHV）が非ゼロとなる対称性条件は何か？
• RQ2 スピン軌道結合および磁気秩序が、磁気的弾性結合の下でPHVの出現にどのように寄与するか？
• RQ3 銅酸化物Sr2CuO2Cl2におけるPHVの微視的起源は何か？ また、スピン相関関数からどのように計算できるか？
• RQ4 平面内磁場と垂直磁場では、PHVの選択則にどのような違いが生じるか？
• RQ5 PHVと音響ファラデー回転やフォノン熱的ホール伝導度といった実験的に測定可能な効果との関係は何か？

主な発見

• フォノンホール粘性係数η^H_A1Exはh⟨m_y n_z⟩に比例し、他のチャネルに対しても同様の依存性を示し、スピン相関関数と直接的な関係があることが明らかになった。
• 時間反転対称性および鏡対称性（例：σ_hおよびσ_vx）が保たれている場合、PHVは消えることが示され、非ゼロPHVの明確な対称性基準が確立された。
• y方向の平面内磁場では、有効磁気群がT C2z対称性を保ち、これによりη^H_ExEy = 0となる。その結果、特定のPHVチャネルが抑制される。
• 1/S展開における一次結合項は、⟨m_y n_z⟩などのスピン相関関数によって決定され、磁気秩序および外部磁場の存在下で非ゼロとなる。
• スピン軌道結合が存在しない状況下でも、時間反転対称性および特定の鏡対称性が破れていれば、PHVは磁気的弾性結合によって生成可能であることが確認された。
• 導出されたPHV項はフォノンベリー曲率と直接関連しており、音響ファラデー回転および熱的ホール輸送を用いた実験的検出が可能であることが示された。