[논문 리뷰] Dzyaloshinskii-Moriya Induced Topological Magnon-Phonon Hybridization in 2D Antiferromagnetic Insulators with Tunable Chern Numbers

Bowen Ma, Gregory A. Fiete|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 23.

Topological Materials and Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 2D 반자성绝縁체에서 미러 대칭이 깨진 경우, 격자 진동에 의해 유도되는 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)이 조정 가능한 Chern 수를 가진 위상적 면역자기파-플라존 밴드를 유도함을 제안한다. 외부 자기장 조절을 통해 시스템은 비자명한 Berry 곡률과 양자화된 열 홀 전도도를 나타내며, 스핀에 의해 유도된 비대칭성 있는 격자 진동은 밸리 홀 효과의 검출 가능한 서명으로 작용한다.

ABSTRACT

We theoretically study magnon-phonon hybrid excitations (magnon-polarons) in two-dimensional antiferromagnets on a honeycomb lattice. With an in-plane Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) allowed from mirror symmetry breaking from phonons, we find non-trivial Berry curvature around the anti-crossing rings among magnon and both optical and acoustic phonon bands, which gives rise to finite Chern numbers. We show that the Chern numbers of the magnon-polaron bands can be manipulated by changing the magnetic field direction or strength. We evaluate the thermal Hall conductivity reflecting the non-trivial Berry curvatures of magnon-polarons and propose a valley Hall effect resulting from spin-induced chiral phonons as a possible experimental signature. Our study complements prior work on magnon-phonon hybridized systems without optical phonons and suggests possible applications in spin caloritronics with topological magnons and chiral phonons.

연구 동기 및 목표

• 격자 진동에 의해 대칭이 깨지는 2D 허브-격자 반자성체에서 면역자기파-격자 진동의 혼합을 연구하기 위해.
• 격자 진동으로 유도된 DMI가 면역자기파-플라존 밴드에서 비자명한 Berry 곡률을 어떻게 생성하는지 탐구하기 위해.
• 외부 자기장의 강도와 방향을 조절하여 면역자기파-플라존 밴드의 Chern 수를 조절 가능함을 보여주기 위해.
• 면역자기파-플라존 시스템에서 비자명한 위상성을 반영하는 열 홀 전도도를 평가하기 위해.
• 스핀에 의해 유도된 비대칭성 있는 격자 진동을 통한 밸리 홀 효과를 제안하고, 이를 실험적으로 검출 가능한 서명으로 삼기 위해.

제안 방법

• 거울 대칭을 깨는 스핀-격자 진동 결합을 포함한 2D 허브-격자 반자성체의 이론 모델을 사용하여, 평면 내 DMI를 가능하게 한다.
• 광학적 및 비틀림 진동 모드와 면역자기파 모드를 포함한 면역자기파-격자 진동 결합 해밀토니안을 유도한다.
• 결합된 시스템의 고유상태를 사용하여 혼합된 면역자기파-플라존 밴드의 Berry 곡률과 Chern 수를 계산한다.
• 면역자기파 분산을 조절하고 혼합된 밴드의 위상적 성질을 제어하기 위해 자기장을 적용한다.
• 비자명한 위상성을 반영하기 위해 자기장에 따른 열 홀 전도도를 평가한다.
• 스핀 텍스처에 의해 유도된 비대칭성 있는 격자 진동의 발생을 분석하고, 이를 밸리 홀 운반의 실험적 서명으로 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 격자 진동에 의해 유도된 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용은 2D 반자성체에서 어떻게 위상적 면역자기파-플라존 밴드를 유도하는가?
• RQ2 자기장의 강도와 방향을 변화시킴으로써 면역자기파-플라존 밴드의 Chern 수를 조절할 수 있는가?
• RQ3 비자명한 Berry 곡률은 면역자기파-플라존 시스템에서 양자화된 열 홀 전도도를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 스핀에 의해 유도된 비대칭성 있는 격자 진동은 어떻게 발생하며, 밸리 홀 효과의 검출 가능한 서명으로 기능하는가?
• RQ5 광학적 및 비틀림 진동을 모두 포함함으로써 면역자기파-플라존 밴드의 위상적 성질에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 격자 진동에 의해 유도된 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용은 면역자기파 및 격자 진동 밴드 간의 반대-교차 고리(anti-crossing rings)를 유도하여 비자명한 Berry 곡률을 생성한다.
• 면역자기파-플라존 밴드의 Chern 수는 자기장의 방향과 강도를 변화시킴으로써 조절 가능하여 위상상태의 동적 제어를 가능하게 한다.
• 비자명한 Berry 곡률로 인해 유한한 열 홀 전도도가 발생하며, 이는 위상적 면역자기파-플라존의 측정 가능한 서명으로 기능한다.
• 스핀 텍스처에 의해 유도된 스핀에 의해 유도된 비대칭성 있는 격자 진동은 밸리 홀 운반의 잠재적 실험적 서명을 제공한다.
• 광학적 및 비틀림 진동을 모두 포함함으로써 이전의 모델에서 광학 모드를 생략한 것보다 더 풍부한 위상적 밴드 구조를 얻을 수 있다.
• 시스템은 양자화된 운반 성질을 가진 위상적 면역자기파-플라존을 지님으로써 스핀 칼로리트로닉스 및 위상적 스피논닉스 응용 가능성을 시사한다.