[논문 리뷰] Spin stiffness, spectral weight, and Landau damping of magnons in metallic spiral magnets

Pietro M. Bonetti, Walter Metzner|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 11.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 30인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 흡수 상호작용가지며, 이트론 전자에 적용된 무작위 위상 근사(RPA)를 사용하여 금속성 나선형 자성체의 면모드를 조사한다. 세 가지의 별개의 면모 분지—두 개의 수직 방향 및 한 개의 수평 방향—를 식별하고, 스핀 강성, 스펙트럼 무게 및 랑두 감쇠율을 유도하며, 수평 모드는 강하게 감쇠되지만 수직 모드는 랑두 감쇠가 억제되어 점점 안정된다는 것을 발견한다.

ABSTRACT

We analyze the properties of magnons in metallic electron systems with spiral magnetic order. Our analysis is based on the random phase approximation for the susceptibilities of tight binding electrons with a local Hubbard interaction in two or three dimensions. We identify three magnon branches from poles in the susceptibilities, one associated with in-plane, the other two associated with out-of-plane fluctuations of the spiral order parameter. We derive general expressions for the spin stiffnesses and the spectral weights of the magnon modes, from which also the magnon velocities can be obtained. Moreover, we determine the size of the decay rates of the magnons due to Landau damping. While the decay rate of the in-plane mode is of the order of its excitation energy, the decay rate of the out-of-plane mode is smaller so that these modes are asymptotically stable excitations even in the presence of Landau damping.

연구 동기 및 목표

• 파괴된 SU(2) 대칭성을 가진 금속성 나선형 자성체에서의 집단적 스핀 진동을 이해하기 위해.
• 이러한 시스템에서 면모의 스핀 강성, 스펙트럼 무게 및 감쇠율을 결정하기 위해.
• Fermi 해에서 전자-정공 쌍 진동에 의한 랑두 감쇠의 역할을 조사하기 위해.
• 왜 수직 면모가 감쇠 메커니즘에도 불구하고 안정되어 있는지 명확히 하기 위해.

제안 방법

• Hubbard 상호작용가지며, 이트론 전자에 대한 무작위 위상 근사(RPA)를 사용하여 격자 모형에서 스핀 및 전하 감수율을 분석한다.
• 분석적 단순화를 위해 나선 상태를 자성체 유사 상태로 매핑하기 위해 국소적으로 스핀 기준을 회전시킨다.
• 모멘텀-주파수 공간에서의 역감수율을 유도하고 골드스톤 점 주변에서 전개하여 면모 성질을 추출한다.
• 감수율 행렬의 극을 통해 스핀 강성과 스펙트럼 무게를 계산한다.
• Fermi 표면 근처의 전자-정공 연속체 기여를 통해 랑두 감쇠율을 평가한다.
• 2D Hubbard 모형에 대해 수치적 평가를 수행하며, 순서 파동 수량 Q = (π−2πη, π)를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나선형 자성체에서 수평 및 수직 방향의 변동에 따라 면모의 스핀 강성과 스펙트럼 무게는 어떻게 달라지나?
• RQ2 각 면모 분지에 대해 랑두 감쇠의 크기와 동역학적 의존성은 무엇인가?
• RQ3 유사한 감쇠 메커니즘에도 불구하고 수직 면모가 수평 모드보다 더 안정적인 이유는 무엇인가?
• RQ4 RPA 프레임워크는 완전한 SU(2) 대칭성 파괴를 가진 나선 상태에서 세 개의 별개의 골드스톤 모드를 어떻게 포괄하는가?
• RQ5 Fermi 표면은 금속성 나선형 시스템에서 면모의 감쇠를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 수평 면모는 그 진동 에너지와 비슷한 감쇠율을 보이며, 전자-정공 쌍으로의 강한 붕괴를 나타낸다.
• 수직 면모는 수평 모드보다 랑두 감쇠율이 크게 낮아 점점 안정된 준입자로 간주된다.
• 스핀 강성과 스펙트럼 무게는 RPA 감수율 행렬의 극에서 도출되며, 면모 속도 계산이 가능해진다.
• 수평 모드의 랑두 감쇠는 Néel 상태에서와 동일한 주파수 및 동역학 의존성을 가진다.
• 수직 모드의 감쇠는 변환된 기준에서의 대칭성 제약으로 인해 억제되어 전자-정공 채널에서의 행렬 요소가 감소한다.
• 2D Hubbard 모형에 대한 수치 결과는 분석 예측을 확인하며, 낮은 도핑 조건에서도 수직 모드가 안정되어 있음을 보여준다.