[논문 리뷰] Phonon Hall Viscosity in Magnetic Insulators

Mengxing Ye, L. Savary외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 07.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 외부 자기장 하에서 스핀-격자 결합에 의해 유도되는 자성 절연체에서 격자파 홀 점탄도(PHV)를 계산하기 위한 체계적인 이론적 프레임워크를 제시한다. 대칭성 분석과 미시적 장 이론을 사용하여 비영인 PHV에 대한 일반 기준을 유도하며, 시간역전 및 특정 거울 대칭성이 깨질 때 PHV가 발생하며, 구리산염 Sr2CuO2Cl2에서 PHV 계수를 명시적으로 계산하여 스핀 상관관계와 연결하고, 음향 파울러 효과 및 열 홀 전도도를 통한 실험적 탐지 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

The Phonon Hall Viscosity is the leading term evincing time-reversal symmetry breaking in the low energy description of lattice phonons. It may generate phonon Berry curvature, and can be observed experimentally through the acoustic Faraday effect and thermal Hall transport. We present a systematic procedure to obtain the phonon Hall viscosity induced by phonon-magnon interactions in magnetic insulators under an external magnetic field. We obtain a general symmetry criterion that leads to non-zero Faraday rotation and Hall conductivity, and clarify the interplay between lattice symmetry, spin-orbit-coupling, external magnetic field and magnetic ordering. The symmetry analysis is verified through a microscopic calculation. By constructing the general symmetry-allowed effective action that describes the spin dynamics and spin-lattice coupling, and then integrating out the spin fluctuations, the leading order time-reversal breaking term in the phonon effective action, i.e. the phonon Hall viscosity, can be obtained. The analysis of the square lattice antiferromagnet for a cuprate Mott insulator, Sr$_2$CuO$_2$Cl$_2$, is presented explicitly, and the procedure described here can be readily generalized to other magnetic insulators.

연구 동기 및 목표

• 자기적 탄성 결합에 의해 유도되는 자성 절연체에서 격자파 홀 점탄도(PHV)에 대한 일반적인 이론적 프레임워크 수립.
• 외부 자기장과 스핀 순서가 존재할 때 PHV가 비영이 되는 대칭 조건 규명.
• 음향 파울러 효과 및 열 홀 전도도와 같은 측정 가능한 양과 PHV 연결.
• 효과적 장 이론과 스핀-1/S 전개를 사용하여 정사각형 격자 반자성체인 Sr2CuO2Cl2에서 PHV 계수의 미시적 유도 제공.

제안 방법

• 자성 절연체에서 스핀 동역학과 스핀-격자 결합을 위한 일반적인 대칭성 허용 효과적 작용 수립.
• 스핀 자유도를 적분하여 격자파 효과적 작용에서 시간역전 대칭 위반 항을 유도하며, 이는 PHV에 해당.
• 군 이론을 적용하여 변형과 스핀 연산자의 기저 표현을 분류하고, 허용된 PHV 채널 식별.
• 1/S 전개를 사용하여 스핀 상관관계, 예를 들어 ⟨m_y n_z⟩를 통해 PHV 계수 계산.
• 수직 및 평면 내 자기장 설정을 분석하여 대칭성에 의해 보호되는 영인 PHV 항 식별.
• 모멘텀 공간에서 PHV 항의 명시적 표현 유도하며, 이를 격자파 베리 기울기 및 실험적 관측 가능 물리량과 연결.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장 하에서 자성 절연체에서 격자파 홀 점탄도(PHV)가 비영이 되는 대칭 조건은 무엇인가?
• RQ2 자기장 결합과 자기적 질서가 자성 탄성 결합 존재 하에서 PHV의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 구리산염 Sr2CuO2Cl2에서 PHV의 미시적 기원은 무엇이며, 스핀 상관관계로부터 어떻게 계산할 수 있는가?
• RQ4 수직 자기장 대비 평면 내 자기장이 PHV의 선택 규칙에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 음향 파울러 효과 및 격자파 열 홀 전도도와 같은 실험적으로 측정 가능한 효과와 PHV 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 격자파 홀 점탄도(PHV) 계수 η^H_A1Ex는 h⟨m_y n_z⟩에 비례하며, 다른 채널에도 유사한 의존성이 나타나, 스핀 상관관계와 직접적인 연결 고리 제공.
• 시간역전 대칭 및 거울 대칭(예: σ_h 및 σ_vx)이 유지될 경우 PHV는 영이 되며, 비영 PHV에 대한 명확한 대칭 조건 설정.
• y축 방향 평면 내 자기장의 경우, 효과적 자기군이 T C2z 대칭을 유지하여 η^H_ExEy = 0이 되며, 특정 PHV 채널 억제.
• 1/S 전개의 주요 항으로서 PHV 계수는 ⟨m_y n_z⟩와 같은 스핀 상관관계에 의해 결정되며, 자기적 질서와 외부 자기장 존재 시 비영이 됨.
• 내재된 스핀-오비트 결합이 없더라도 시간역전 대칭 및 특정 거울 대칭이 깨지면 자성 탄성 결합을 통해 PHV가 생성될 수 있음.
• 유도된 PHV 항은 격자파 베리 기울기와 직접 연결되며, 음향 파울러 효과 및 열 홀 전도도를 통한 탐지 가능하여 실험적 탐지 경로 제공.