[논문 리뷰] Floquet Weyl Magnons

S. A. Owerre|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 10.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 74인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 원형 편광 빛 조사에 의한 플로케트-블로흐 이론을 사용하여 효과적인 시간역전대칭성 위반을 유도함으로써 3차원 양자 자성체에서 자성파 웨일 점을 실현하는 메커니즘을 제안한다. 주요 결과는 디랙 노드 라인 및 갭이 있는 비자명 절연체 시스템 모두에서 조정 가능한 위상적으로 보호된 자성파 웨일 점이 나타나는 것으로, 밴드 구조, 베리 기울기 및 비정상 열 홀 효과 계산을 통해 확인된다.

ABSTRACT

In three-dimensional (3D) quantum magnets, magnonic Weyl points (WPs) featuring linear band crossing of two non-degenerate magnon branches can emerge in certain lattice geometry when time-reversal symmetry is broken macroscopically. Unfortunately, there are very limited 3D quantum magnets that host magnonic WPs, and they are yet to be observed experimentally because the intrinsic perturbative interactions that break time-reversal symmetry macroscopically can be very negligible. Here, we present an alternative means via photo-irradiation, in which magnonic WPs can emerge in 3D quantum magnets without relying on intrinsic perturbative interactions to break time-reversal symmetry. By utilizing the magnonic Floquet-Bloch theory, we put forward the general theory of magnonic Floquet WPs in 3D quantum magnets. We show that periodically driven 3D magnonic Dirac nodal-line (DNL) and 3D magnonic gapped trivial insulators can generate 3D magnonic Floquet WPs, which can be tuned by the incident circularly-polarized light. We demonstrate the existence of magnonic Floquet WPs by combining the study of the magnon dispersions, Berry curvatures, and the anomalous thermal Hall effect. The general theoretical formalism can be applied to different magnetic insulators, and thus extending the concept of magnonic WPs to a broader class of 3D magnetically ordered systems.

연구 동기 및 목표

• 3D 양자 자성체에서 자성파 웨일 점을 관측하는 데 있어 약한 내재된 시간역전대칭성 위반 상호작용으로 인한 실험적 과제를 해결하기 위해.
• 내재된 미세한 상호작용에 의존하지 않는 다른 메커니즘을 통해 위상적으로 보호된 자성파 웨일 점을 실현하고자 하기 위해.
• 주기적인 광조사를 통해 더 넓은 범주로의 자성 절연체에 자성파 웨일 점 개념을 확장하고자 하기 위해.
• 플로케트-블로흐 이론과 위상적 불변량을 사용하여 자성파 플로케트 웨일 점에 대한 일반적인 이론적 프레임워크를 수립하고자 하기 위해.
• 자성파 분산, 베리 기울기 및 비정상 열 홀 효과를 통해 이러한 상태의 존재를 입증하고자 하기 위해.

제안 방법

• 원형 편광 빛 조사 하에서 주기적으로 구동되는 3D 양자 자성체를 기술하기 위해 자성파 플로케트-블로흐 이론을 사용한다.
• 시간에 의존하는 양자역학적 페르미온 이론을 사용하여 효과적인 플로케트 해밀토니안을 유도하며, 빛에 의해 유도되는 벡터 포텐셜과 아하로노프-카셔 위상이 포함된다.
• 시스템을 디랙-폴리 라그랑지안을 통해 시간주기적인 전자기장에 결합된 질량이 없는 중성입자로 모델링한다.
• 운동량 공간에서 효과적인 해밀토니안을 계산하여, 힘줄 상수의 베셀 함수 조절을 통한 빛 조절 가능한 웨일 점 형성을 보여준다.
• 위상적 불변량인 베리 기울기 분석과 비정상 열 홀 효과의 정량적 분석을 통해 웨일 점의 특징을 확인한다.
• 디랙 노드 라인 및 갭이 있는 비자명 절연체 시스템에 이 이론적 프ORMALISM을 적용하여 자성파 웨일 점의 보편적 존재를 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내재된 시간역전대칭성 위반 상호작용에 의존하지 않고 3D 양자 자성체에서 자성파 웨일 점을 유도할 수 있는가?
• RQ2 원형 편광 빛은 자성 절연체에서 위상적으로 보호된 자성파 웨일 점의 형성을 어떻게 유도하는가?
• RQ3 아하로노프-카셔 효과는 주기적으로 구동되는 시스템에서 자성파에 대한 효과적인 게이지 장을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 비정상 열 홀 효과는 광조사를 받는 시스템에서 자성파 웨일 점의 강력한 실험적 서명으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 플로케트 엔지니어링 접근법은 다양한 종류의 3D 자성 절연체에 대해 얼마나 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 원형 편광 빛 조사 하에서 3D 양자 자성체에서 내재된 시간역전대칭성 위반 없이도 자성파 웨일 점이 나타난다.
• 입사 빛의 강도와 편광도에 따라 웨일 점이 조절 가능하여 위상적 자성파 상태의 동적 제어가 가능하다.
• 플로케트-블로흐 이론에서 유도된 효과적인 해밀토니안은 빛에 의해 유도된 베셀 함수 조절을 통한 힘줄 상수의 변형을 보이며 선형 밴드 교차를 생성한다.
• 웨일 점 주변에 비영인 베리 기울기가 존재하여, 이들이 운동량 공간에서 단극자로서 위상적 성질을 지닌다는 것이 확인된다.
• 유한한 비정상 열 홀 신호가 예측되어 자성파 웨일 점의 측정 가능한 실험적 서명을 제공한다.
• 이 메커니즘은 디랙 노드 라인 및 갭이 있는 비자명 절연체 시스템 모두에 보편적으로 적용되며, 잠재적 호스트 물질의 범위를 크게 넓힌다.