[論文レビュー] Spin stiffness, spectral weight, and Landau damping of magnons in metallic spiral magnets

Pietro M. Bonetti, Walter Metzner|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

Magnetic properties of thin films参考文献 30被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、 Hubbard 相互作用を有する拡散電子系にランダム位相近似（RPA）を適用し、金属的スパイラル磁性体における磁振子モードを調査する。3つの異なる磁振子分散関係（2つの面外モードと1つの面内モード）を特定し、スピン剛性、スペクトル重み、Landau 衰え率を導出する。その結果、面内モードは強く衰えるが、面外モードは Landau 衰えが抑制されているため、漸近的に安定であることが判明した。

ABSTRACT

We analyze the properties of magnons in metallic electron systems with spiral magnetic order. Our analysis is based on the random phase approximation for the susceptibilities of tight binding electrons with a local Hubbard interaction in two or three dimensions. We identify three magnon branches from poles in the susceptibilities, one associated with in-plane, the other two associated with out-of-plane fluctuations of the spiral order parameter. We derive general expressions for the spin stiffnesses and the spectral weights of the magnon modes, from which also the magnon velocities can be obtained. Moreover, we determine the size of the decay rates of the magnons due to Landau damping. While the decay rate of the in-plane mode is of the order of its excitation energy, the decay rate of the out-of-plane mode is smaller so that these modes are asymptotically stable excitations even in the presence of Landau damping.

研究の動機と目的

• スピン SU(2) 対称性が破れた金属的スパイラル磁性体における集団的スピン励起状態を理解すること。
• このような系における磁振子モードのスピン剛性、スペクトル重み、および衰え率を特定すること。
• フェルミ海における電子-正孔対励起からの Landau 衰えの役割を調査すること。
• なぜ面外磁振子が、類似した衰え機構にもかかわらず、面内モードよりも安定であるかを明確にすること。

提案手法

• タイトビンディング模型に Hubbard 相互作用を導入し、スピンおよび電荷感受率に対してランダム位相近似（RPA）を適用する。
• 解析的簡略化のため、スパイラル状態を磁気的フェルミオン状態に類似した局所的回転スピンフレームに写像する。
• 運動量-周波数空間における逆感受率を導出し、ゴールドストーン点の周囲で展開することで磁振子特性を抽出する。
• 感受率行列の極からスピン剛性およびスペクトル重みを計算する。
• フェルミ面近傍における電子-正孔連続体寄与を用いて Landau 衰え率を評価する。
• 2次元 Hubbard モデル（秩序波数ベクトル Q = (π−2πη, π)）に対して数値的評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパイラル磁性体におけるスピン剛性およびスペクトル重みは、面内および面外の揺らぎにどのように依存するか？
• RQ2 各磁振子モードの Landau 衰えの大きさと動径依存性は何か？
• RQ3 類似した衰え機構にもかかわらず、なぜ面外磁振子は面内モードよりも安定なのか？
• RQ4 RPA フレームワークは、完全に SU(2) 対称性が破れたスパイラル状態における3つの異なるゴールドストーンモードをどのように捉えているか？
• RQ5 フェルミ面は、金属的スパイラル系における磁振子の衰えを決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 面内磁振子モードは、励起エネルギーと同等の衰え率を示し、電子-正孔対への強い崩壊を示している。
• 面外磁振子モードは、面内モードと比較して顕著に小さい Landau 衰え率を示し、結果として漸近的に安定な準粒子としての性質を有する。
• スピン剛性およびスペクトル重みは、RPA 感受率行列の極から導出され、磁振子速度の計算が可能になる。
• 面内モードの Landau 衰えは、ネール状態におけるものと同一の周波数および動径依存性を示す。
• 回転フレームにおける対称性制約により、面外モードの衰えは抑制され、電子-正孔チャネルにおける行列要素が小さくなる。
• 2次元 Hubbard モデルの数値的結果は、解析的予測を確認しており、低ドーピング領域においても面外モードが安定であることが示された。