[論文レビュー] Topological Aspects of Antiferromagnets

Varga Bonbien, Fengjun Zhuo+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 444被引用数 2

ひとこと要約

本レビューでは、電子的、磁気モード的、トポロジカルスピンテクスチャの観点から、反強磁性体における非自明なトポロジーの出現を検討し、アノマラスホール効果や磁気モードホール効果を含むアノマラス輸送現象がベリー曲率およびトポロジカル不変量とどのように関連するかを明らかにしている。本研究は、反強磁性体がトポロジカルスピントロニクスおよび量子物質の豊かなプラットフォームであることを確立しており、トポロジカル不変量の同定、磁気空間群の分類、トポロジカル励起状態や表面状態を検出するための新規メカニズムの提唱といった重要な貢献を行っている。

ABSTRACT

The long fascination antiferromagnetic materials have exerted on the scientific community over about a century has been entirely renewed recently with the discovery of several unexpected phenomena including various classes of anomalous spin and charge Hall effects and unconventional magnonic transport, but also homochiral magnetic entities such as skyrmions. With these breakthroughs, antiferromagnets standout as a rich playground for the investigation of novel topological behaviors, and as promising candidate materials for disruptive low-power microelectronic applications. Remarkably, the newly discovered phenomena are all related to the topology of the magnetic, electronic or magnonic ground state of the antiferromagnets. This review exposes how non-trivial topology emerges at different levels in antiferromagnets and explores the novel mechanisms that have been discovered recently. We also discuss how novel classes of quantum magnets could enrich the currently expanding field of antiferromagnetic spintronics and how spin transport can in turn favor a better understanding of exotic quantum excitations.

研究の動機と目的

• 電子的、磁気モード的、スピンテクスチャ的自由度における反強磁性体のトポロジーの役割を体系的にマップすること。
• アノマラス輸送を特徴づける対称性保護されたトポロジカル不変量およびベリー曲率の寄与を特定すること。
• 断層的な反強磁性体におけるスピンオン、マヨラナフェルミオン、任意onsといった特異な準粒子の出現を調査すること。
• 反強磁性体におけるトポロジカル表面状態および磁気スカイメロンの実験的検出戦略を提案すること。
• 強いスピン軌道結合およびジャローシュチェンスキー＝モリスキー相互作用を示す材料やヘテロ構造を同定することで、理論的予測と実験的実現を橋渡しすること。

提案手法

• 磁気空間群理論を応用し、反強磁性秩序の分類とバンド簡約性およびスピンテクスチャへの影響を検討する。
• ベリー曲率形式（アーベルおよび非アーベル）を用いて、電子系および磁気モード系におけるアノマラス輸送係数を導出する。
• ネウマンの原理に基づく伝導度テンソルの分析により、反強磁性体におけるアノマラスホール効果およびスピンホール効果の成立条件を導出する。
• 1次元および2次元反強磁性格子におけるトポロジカルソリトン、スカイメロン、エッジモードの数値的および解析的モデリングを行う。
• トポロジカル分類を磁気モードバンドへ拡張し、磁気モードワイルおよびディラック半金属、トポロジカル絶縁体を同定する。
• スピン液体およびゲージ場の枠組みを用いて、カゴメ格子およびペイロクロア格子における量子スピン液体および分数量子励起の理論的探求を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気点群および空間群が、反強磁性体バンド構造のトポロジカル分類にどのように寄与するか。
• RQ2 ベリー曲率が、反強磁性体におけるアノマラスホール効果およびスピンホール効果を生成する役割を果たすメカニズムは何か。
• RQ3 反強磁性体における磁気モード系は、電子的トポロジカル絶縁体に類似したトポロジカル表面状態を有するか。
• RQ4 反強磁性体スカイメロンおよびソリトンが出現する条件は何か。また、それらをどのように実験的にプローブできるか。
• RQ5 反強磁性スピントロニクスを応用することで、相関電子系におけるトポロジカル超伝導をプローブまたは誘導できるか。

主な発見

• 対称性およびベリー曲率解析により予測されたように、反強磁性体は非自明なトポロジカル相を有しており、反強磁性トポロジカル絶縁体およびワイル／ディラック半金属が含まれる。
• 反強磁性体におけるアノマラスホール効果およびスピンホール効果は、磁化がゼロであっても、運動量空間における非ゼロのベリー曲率に起因する。
• 反強磁性体における磁気モード系は、頑健な表面モードを有するトポロジカル磁気モードバンドを示し、磁気モードホール効果およびスピンネルンスト効果を含む。
• 競合する交換相互作用およびジャローシュチェンスキー＝モリスキー相互作用によって、反強磁性体におけるトポロジカルソリトンおよびスカイメロンが安定化され、電流駆動による運動が可能である。
• 断層的な反強磁性体、たとえばカゴメ格子およびペイロクロア格子は、スピンオンおよびマヨラナフェルミオンといった分数量子励起を有し、非アーベル統計を示す。
• 超伝導体と反強磁性体を近接結合させることで、トポロジカル超伝導相、特にマヨラナヘッジモードが誘導される可能性があり、トポロジカル量子計算への道筋を提供する。