[論文レビュー] Topical Review on Skyrmions and Hall Transport

Bom Soo Kim|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 111被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、量子場理論のウォード恒等式を用いてスカイリオンホール輸送とホール粘性を結びつける理論的枠組みを提案し、パリティ破れ系における新しい反対称的粘性成分の存在を明らかにした。実験的にホール粘性を測定する方法として、運動量に依存するホール電導度の測定、または絶縁性スカイリオン系においてスピン不均衡を誘発する回転するシリンダーの実験装置の提案も行った。

ABSTRACT

We review recent progresses towards an understanding of the Skyrmion Hall transport in insulating as well as conducting materials. First, we consider a theoretical breakthrough based on the quantum field theory Ward identity, a first principle analysis, relying on symmetries and conservation laws. Broken parity (inversion) symmetry plays a crucial role in Skyrmion Hall transport. In addition to the well known thermal and electric Hall conductivities, our analysis has led us to the discovery of a new and unforeseen physical quantity, Hall viscosity - an anti-symmetric part of the viscosity tensor. We propose a simple way to confirm the existence of Hall viscosity in the measurements of Hall conductivity as a function of momentum. We provide various background materials to assist the readers to understand the quantum field theory Ward identity. In the second part, we review recent theoretical and experimental advancements of the Skyrmion Hall effects and the topological (Magnon) Hall effects for conducting (insulting) magnets. For this purpose, we consider two enveloping themes: spin torque and thermo-electromagnetic effect. First, we overview various spin torques, such as spin transfer torque, spin-orbit torque, and spin Hall torque, and generalized Landau-Lifshitz-Gilbert equations and Thiele equations using a phenomenological approach. Second, we consider irreversible thermodynamics to survey possible thermo-electromagnetic effects, such as Seebeck, Peltier and Thompson effects in the presence of the electric currents, along with the Hall effects in the presence of a background magnetic field. Recently developed spin Seebeck effects are also a significant part of the survey. We also accommodate extensive background materials to make this review self-contained. Finally, we revisit the Skyrmion Hall transport from the Ward identity view point.

研究の動機と目的

• 量子場理論のウォード恒等式を用いて、スカイリオンホール輸送の第一原理的理論的基盤を確立すること。
• パリティおよび時間反転対称性が破れた系における、ホール粘性を新しい反対称的粘性テンソル成分として同定すること。
• 絶縁性および導電性スカイリオン材料におけるホール粘性の実験的検出法を提案すること。
• スピントルクと熱電磁気的効果を、スカイリオン力学の共通理論的枠組みで統一すること。
• 流体力学、トポロジカル場理論、スカイリオン系における実験的輸送現象を統合した自己完結的なレビューを提供すること。

提案手法

• パリティおよびブースト対称性が破れた2+1次元系において、量子場理論のウォード恒等式を適用し、保存則および輸送係数を導出する。
• エネルギー運動量テンソルおよび角運動量密度を用いて、ホール粘性を対称性代数の中心拡大として導出する。
• クーブ公式を用いて、ホール粘性を線形応答関数および運動量に依存するホール電導度と関連付ける。
• 一般化されたランダウ＝リフシッツ＝ギルバート方程式およびティーエル方程式を導出し、スピントルク（STT, SOT, SHT）が作用するスカイリオンの運動を記述する。
• 不可逆熱力学を統合し、スピン自由度を含むセーベック効果、ペルティエ効果、サムソン効果を含む熱電磁気的効果をモデル化する。
• 回転するシリンダーを用いた新規実験的構成を提案し、ホール粘性によって径方向のスカイリオン運動を誘発し、プラチナキャッピング層における逆スピンホール効果によって検出可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パリティ破れ系におけるウォード恒等式は、どのようにホール粘性が輸送係数として出現するかを導くか？
• RQ2 絶縁性および導電性材料におけるスカイリオンホール効果とホール粘性の関係は何か？
• RQ3 運動量に依存するホール電導度の測定によって、スカイリオン系におけるホール粘性を実験的に測定可能か？
• RQ4 スピントルク（STT, SOT, SHT）およびスピン波（マグノン）の相互作用は、ホール粘性が存在する状況でのスカイリオン輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ5 電流や温度勾配が存在しない状況で、基板の機械的回転を用いてホール粘性を検出することは可能か？

主な発見

• ホール粘性は、パリティ破れ系において、ウォード恒等式および対称性代数から導出される、基本的で反対称的な粘性テンソル成分として出現する。
• 回転するシリンダーを用いた新規実験的手法が提案され、ホール粘性が径方向のスカイリオン運動を誘発し、プラチナ層における逆スピンホール効果によって検出可能である。
• 絶縁性スカイリオン系では、ホール電導度を運動量の関数として測定することで、ホール粘性を直接的にプローブ可能である。
• 理論的解析により、ホール粘性がスカイリオン系におけるトポロジカル電荷および角運動量に関連しており、量子ホール効果と接続されていることが確認された。
• Pt/CoFeB/MgOのような低ピンチング系におけるスカイリオン運動は、マグニチュード力のため不純物の影響を受けないため、ホール粘性実験に最適な候補である。
• スピンセーベック効果およびペルティエ効果がマグノン媒介輸送において重要であることが示され、非平衡状態におけるスピン不均衡を介したホール粘性の検出可能性が示唆された。