[論文レビュー] Topological responses from gapped Weyl points in 2D altermagnets

Kirill Parshukov, Raymond Wiedmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2024

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、スピン縮退バンドが代磁性秩序によって分裂する二次元代磁性体における対称性保護型ウェイル点を同定・分類し、質量項によってギャップ化された際に位相的に非自明な状態を示すことを明らかにする。量子化された $\pi$-ベリ位相を示し、スピンネルンスト効果を含む異常な電子的および熱的ホール応答を予測する。ギャップ化された相におけるエッジ状態および輸送応答を支配する、チャーン数およびスピンチャーン数といった明確な位相的不変量が存在する。

ABSTRACT

We study the symmetry requirements for topologically protected spin-polarized Weyl points in 2D altermagnets. The topology is characterized by a quantized $π$-Berry phase and the degeneracy is protected by spin-space group symmetries. Gapped phases with finite Chern and/or spin/chirality Chern numbers emerge under different symmetry-breaking mass terms. We investigate the surface and transport properties of these gapped phases using representative electronic tight-binding and magnonic linear spin-wave models. In particular, we calculate the electronic and magnonic Hall currents and discuss implications for experiments.

研究の動機と目的

• 同じスピンのバンドが交差する2次元代磁性体におけるウェイル点簡約性を保護するすべてのスピン wallpaper 群を分類すること。
• ネット磁化のない状態で時間反転対称性および鏡映対称性が位相的ウェイル点をどのように保護するかを確立すること。
• これらのウェイル点を実現する電子的および磁気モードモデルを構築し、ギャップ化された位相的状態を研究すること。
• 得られたギャップ化された相における異常ホール効果、スピンホール効果、および熱的ホール効果といった位相的応答を調査すること。
• 歪みや光の結合といった対称性破れ質量項が、量子化された応答を示す位相的に異なる状態間の相転移を引き起こすかをリンクすること。

提案手法

• 代磁性秩序と整合するスピン wallpaper 群のうち、群論およびスピン空間群解析を用いてウェイル点を保護するものを分類する。
• p${}^{\overline{1}}$4${}^{\overline{1}}$m1m 群のスピン依存電子タイトバインディングハミルトニアンを構築し、スピン極化バンドを有する4つの対称関係にあるウェイル点を実現する。
• 同じ対称性群における磁気モードの線形スピン波モデルを構築し、位相的磁気モードバンド構造を研究する。
• ブリユアンゾーン全体でのベリ曲率の統合を用いて、チャーン数 $C$ およびスピンチャーン数 $C_{\vartheta}$ のような位相的不変量を計算する。
• ボソン分布関数およびベリ曲率を用いて、熱的ホール電導度 $\kappa^{xy}(T)$ および磁気モードスピンネルンスト係数 $\alpha^{xy}(T)$ の式を導出する。
• 時間反転対称性を破る摂動（光や基板による誘起）を含むさまざまな質量項のもとでのエッジ状態および輸送応答を分析する。

(a)

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元代磁性体におけるどのスピン wallpaper 群が、同じスピン量子数のバンド間のウェイル点簡約性を保護できるか？
• RQ2 代磁性体における対称性保護型ウェイル点が、量子化された $\pi$-ベリ位相および非自明な位相的性質をどのようにもたらすか？
• RQ3 ウェイル点が対称性破れ質量項によってギャップ化された場合に現れる新たな位相的状態は何か？ それらを特徴付ける位相的不変量は何か？
• RQ4 これらの代磁性体における電子的および磁気モード系が、ギャップ化された相においてどのように異常ホールおよびネルンスト応答を示すか？
• RQ5 円偏光光などの外部摂動が、これらの系における位相的相転移およびバルク特有の応答を誘発できるか？

主な発見

• 本稿は、2次元代磁性体におけるウェイル点を保護する12種類のスピン wallpaper 群を同定し、非自明な位相的性質は量子化された $\pi$-ベリ位相によって特徴づけられることを明らかにした。
• 電子的モデルでは、$C=2$、$C=1$、$C=0$ のギャップ化相が、それぞれ異なるエッジ状態配置および量子化されたホール応答を示す。
• 磁気モードでは、$C=2$ かつ $C_{\vartheta}=0$ の相は、相反する chirality を持つ2つの縮退エッジ状態を有し、$C=0$ かつ $C_{\vartheta}=2$ の相は、2つの逆向きに伝搬するエッジ状態を支持する。
• 熱的ホール電導度 $\kappa^{xy}(T)$ は $C \neq 0$ の相でのみ有限であり、磁気モードスピンネルンスト係数 $\alpha^{xy}(T)$ は $C_{\vartheta} \neq 0$ の場合にのみ有限である。これは位相的応答を確認するものである。
• 自明な相では、$\kappa^{xy}(T)$ および $\alpha^{xy}(T)$ は両方とも消えるため、応答の位相的起源が裏付けられる。
• 自明な相では、右回りと左回りの円偏光光が、それぞれ相反するチャーン数寄与を持つバルクに選択的に結合するため、バルクホール効果が現れる。

Figure 2: (a) Altermagnet phase diagram as a function of the mass terms $m(\mathbf{k})=m_{1}+m_{2}\sin k_{x}+m_{3}\sin k_{y}$ (with $m_{1}>0$ ), which gap out the 2D WPs. (b), (c) Transverse charge and spin conductivity, respectively, of Hamiltonian ( 1 ) as a function of temperature $T$ with the ch