[論文レビュー] Weyl Magnon

Fei-Ye Li, Yaodong Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2016

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、格子の不釣り合いを示す反強磁性量子磁性体、特に呼吸型ペロキシライト格子において、Weyl磁気励起子（Weyl magnons）—磁気励起子のトポロジカルな線形バンドギャップの交差—の存在を提案する。スピン模型を用いて、これらの磁気励起子が有限エネルギーのアークを形成するキラル表面状態を有することを示し、外部磁場を用いることでWeyl点をイン・ソースで調整可能であることを示しており、実験的にトポロジカル磁気励起子を制御するためのプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Frustrated quantum magnets not only provide exotic ground states and unusual magnetic structures, but also support unconventional excitations in many cases. Using a physically relevant spin model for a breathing pyrochlore lattice, we discuss the presence of topological linear band crossings of magnons in antiferromagnets. These are the analogs of Weyl fermions in electronic systems, which we dub Weyl magnons. The bulk Weyl magnon implies the presence of chiral magnon surface states forming arcs at finite energy. We argue that such antiferromagnets present a unique example in which Weyl points can be manipulated in situ in the laboratory by applied fields. We discuss their appearance specifically in the breathing pyrochlore lattice, and give some general discussion of conditions to find Weyl magnons and how they may be probed experimentally. Our work may inspire a re-examination of the magnetic excitations in many magnetically ordered systems.

研究の動機と目的

• 格子の不釣り合いを示す量子磁性体、特に反強磁性系においてトポロジカル磁気励起子を同定すること。
• 電子的Weylフェルミオンの類似物としてのWeyl磁気励起子が磁気励起子系において存在することを確立すること。
• これらの系におけるWeyl点が外部磁場を用いて実験的に制御可能であることを示すこと。
• 磁性体においてWeyl磁気励起子を同定および探査するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 量子磁気的相互作用をモデル化するため、呼吸型ペロキシライト格子に物理的に妥当なスピンハミルトニアンを構築すること。
• 線形スピン波理論を用いて磁気励起子スペクトルを解析し、バンドギャップの交差を同定すること。
• トポロジカルな非自明性を示す線形バンドギャップの交差（磁気励起子分散におけるWeyl点）を同定すること。
• 有限サイズ系を用いた表面状態の計算により、有限エネルギーにおけるキラルアークの存在を確認すること。
• 外部磁場の影響に対するWeyl点の応答を調査し、イン・ソースでの可変性を示すこと。
• 対称性およびトポロジーの議論を用いて、バンドギャップの交差の性質とその頑健性を分類すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子反強磁性体において、Weylフェルミオンに類似したトポロジカル磁気励起子が存在しうるか？
• RQ2 どの特定の格子構造および磁気的構造がWeyl磁気励起子の出現を支えるか？
• RQ3 Weyl磁気励起子は、呼吸型ペロキシライト格子の磁気励起子スペクトルおよび表面状態においてどのように現れるか？
• RQ4 このような系におけるWeyl点が外部磁場を用いて実験的に調整可能か？
• RQ5 実際の物質においてWeyl磁気励起子を検出するための実験的シグナルは何か？

主な発見

• Weyl磁気励起子は、呼吸型ペロキシライト反強磁性体の磁気励起子スペクトルにおけるトポロジカルな線形バンドギャップの交差として出現する。
• これらのWeyl点はトポロジーによって保護され、頑健であるため、有限エネルギーのキラル磁気励起子表面状態が形成され、有限エネルギーのアークを形成する。
• 表面状態はゼロエネルギーでギャップを持つが、有限エネルギーに現れるため、従来の表面モードとは明確に区別される。
• 外部磁場を用いることで、Weyl点の位置および数をイン・ソースで調整可能であり、トポロジカル磁気励起子の動的制御が可能になる。
• 本系は、実験的検出が可能である量子磁性体においてWeyl磁気励起子を実現および探査するための現実的なプラットフォームを提供する。中性子散乱やその他の分光法による実験的検出が有望である。