[논문 리뷰] Spin interactions and topological magnonics in chromium trihalide CrClBrI

Eliot Heinrich, Xin Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 04.

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한 줄 요약

이 논문은 브로민, 아이오딘, 클로린으로 이루어진 혼합 할라이드로 인해 C3 대칭이 깨진 반데르발스 자성체인 CrClBrI 이중층에 대해 유전적 스핀 해밀토니안 모델을 제안한다. 몬테카를로 시뮬레이션과 스핀파 이론을 통해, 비틀림이 있는 스핀 구조를 가진 시스템이 비자명한 위상적 특성을 띠는 스핀파 밴드를 지닐 수 있음을 보여주며, 이는 온도 및 자장에 따라 열전도성 엣지 상태의 부호가 반전되는 현상을 유도한다. 이는 2차원 비동축 자성체에서 위상적 스핀파 운반의 후보가 된다.

ABSTRACT

The discovery of spontaneous magnetism in van der Waal (vdW) magnetic monolayers has opened up an unprecedented platform for investigating magnetism in purely two-dimensional systems. Recently, it has been shown that the magnetic properties of vdW magnets can be easily tuned by adjusting the relative composition of halides. Motivated by these experimental advances, here we derive a model for a trihalide CrClBrI monolayer from symmetry principles and we find that, in contrast to its single-halide counterparts, it can display highly anisotropic nearest- and next-to-nearest neighbor Dzyaloshinskii-Moriya and Heisenberg interactions. Depending on the parameters, the DM interactions are responsible for the formation of exotic chiral spin states, such as skyrmions and spin cycloids, as shown by our Monte Carlo simulations. Focusing on a ground state with a two-sublattice unit cell, we find spin-wave bands with nonvanishing Chern numbers. The resulting magnon edge states yield a magnon thermal Hall conductivity that changes sign as function of temperature and magnetic field, suggesting chromium trihalides as a candidate for testing topological magnon transport in two-dimensional noncollinear spin systems.

연구 동기 및 목표

• CrClBrI 이중층에 대해 국소 대칭성과 모리아의 규칙을 기반으로 한 대칭 기반 스핀 해밀토니안 모델을 개발한다.
• C3 대칭이 깨진 2차원 비동축 스핀 시스템에서 위상적 스핀파 상이 어떻게 나타나는지 조사한다.
• 이국적인 캐리어 스핀 구조(스카이메론 및 스핀 사이클로이드 포함)를 안정화시키는 비대칭 Dzyaloshinskii-Moriya 및 헤이젠베르크 상호작용의 역할을 탐색한다.
• 위상적으로 보호된 스핀파 엣지 상태의 존재와 그들이 열전도 효과에 기여하는 방식을 입증한다.

제안 방법

• 국소 대칭성과 모리아의 규칙을 기반으로 결합 기반 헤이젠베르크 및 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용을 포함한 스핀 해밀토니안을 유도한다.
• 사이트 및 결합 특성에 따라 정의된 스핀 상호작용 상수 Jij 및 Dij를 사용하여 근접한 이웃(NN) 및 그 다음 이웃(NNN) 상호작용을 모델링한다.
• 다양한 상호작용 매개변수에 대해 고체 상태를 탐색하기 위해 고전적 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 스핀파 스펙트럼을 계산하고, 위상적 스핀파 밴드를 식별하기 위해 카른 수를 평가한다.
• 스핀파 이론과 엣지 상태 기여도를 사용하여 스핀파 열전도성 성질을 분석한다.
• 비자명한 위상성과 엣지 상태 형성의 특성을 연구하기 위해 이중 하위격자 세포 근사를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CrClBrI에서 결합 기반 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 위상적으로 비자명한 스핀파 밴드를 유도할 수 있는가?
• RQ2 비대칭 스핀 상호작용은 스카이메론 및 스핀 사이클로이드와 같은 이국적인 캐리어 스핀 상태를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 이 시스템에서 스핀파 열전도성 성질은 온도 및 자장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 위상적 엣지 상태의 영향으로 인해 열전도성 성질의 부호가 반전될 수 있는가?
• RQ5 리간드 조성은 비동축 스핀 질서 및 위상적 스핀파 상의 발생에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 혼합 할라이드로 인한 C3 대칭의 붕괴로 인해 CrClBrI 이중층은 근접한 이웃 및 그 다음 이웃 상호작용에서 매우 높은 비대칭성의 Dzyaloshinskii-Moriya 및 헤이젠베르크 상호작용을 지닌다.
• 몬테카를로 시뮬레이션은 상호작용 매개변수에 따라 스카이메론 및 스핀 사이클로이드를 포함한 이국적인 캐리어 스핀 상태의 형성을 확인한다.
• 이중 하위격자 고체 상태에서의 스핀파 밴드는 비자명한 카른 수를 나타내며, 이는 위상적 스핀파 상을 시사한다.
• 위상적 스핀파 엣지 상태가 형성되며, 이는 온도 및 자장에 따라 부호가 반전되는 스핀파 열전도성 성질에 기여한다.
• 이 시스템은 조절 가능한 위상적 스핀파 운반 특성을 보이며, 2차원 위상적 스핀파학의 유망한 플랫폼이 된다.
• 모델은 내재된 스핀 오비탈 결합이 없더라도 결합 기반 DM 상호작용에 의해 비자명한 위상성과 엣지 상태가 존재할 수 있음을 예측한다.