[논문 리뷰] Topological Magnon Insulator in the Frustrated Kagom\'e-Lattice Antiferromagnets

S. A. Owerre|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 12.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 기하학적 불안정성이 있는 카고메 격자 반자성체에서 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)이 존재함에도 불구하고, 평면 내 비동축 비자성 상태에서는 비틀림이 없는 위상적 면역성 면역파동 밴드를 나타냄을 보여준다. 이는 DMI가 반자성체에서 위상적 면역성 면역파동을 가능하게 하는 데 기여한다는 점과는 대조된다. 그러나 외부의 수직 자기장이 작용할 경우, 비평면 스핀 구조와 비영인 스핀 스칼라 편향성이 발생하여 DMI 없이도 위상적 면역성 면역파동 밴드를 형성할 수 있으며, 이는 카고메 반자성체에서 새로운 위상적 면역성 면역파동 절연체를 실현하는 길을 열어준다.

ABSTRACT

Topological magnon insulators in insulating Kagome ferromagnets have been extensively studied in a series of papers. It has been established that Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) is the key ingredient to observe a nontrivial topological magnon with edge modes. However, insulating antiferromagnets on the Kagome lattice are frustrated systems considered as a playground for studying quantum spin liquid physics. In these systems the DMI can induce a coplanar but noncollinear magnetic orders with a $\mathbf{q}=0$ propagating wavevector. We show that topological magnon bands are absent in this coplanar spin texture in sharp contrast to collinear ferromagnets with DMI. Hence, geometrically frustrated Kagome antiferromagnets can be deemed topologically trivial. The presence of an out-of-plane magnetic field in these frustrated magnets induces noncoplanar spin textures exhibiting a nonzero spin scalar chirality. We show that the field-induced spin chirality provides topological magnon bands in Kagome antiferromagnets without the need of DMI and survives in the chiral spin liquid phase of frustrated magnets. Possible experimentally material includes iron jarosite KFe$_3$(OH)$_{6}$(SO$_{4}$)$_2$.

연구 동기 및 목표

• 기하학적 불안정성이 있는 카고메 격자 반자성체에서 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)이 위상적 면역파동 밴드를 유도할 수 있는지 조사하기.
• 평면 내 비동축 스핀 구조에서 DMI가 비자명한 위상적 면역파동 상태를 안정화시키는 역할을 하는지 규명하기.
• 외부 자기장이 DMI 없이도 위상적 면역파동 밴드를 유도할 수 있는지 탐색하기.
• 기하학적 불안정성이 있는 자성체의 비틀림 스핀 액체 상태에서 위상적 면역파동 밴드의 내성 검토하기.
• 철 페로자르조라이트와 같은 후보 물질을 식별하여 자기장 유도 위상적 면역파동 절연체를 실현하기

제안 방법

• 외부 자기장과 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)을 포함한 카고메 격자 반자성체의 스핀 해밀토니언 분석하기.
• DMI와 유한한 자기장 조건 하에서 선형 스핀파 이론을 사용해 면역파동 스펙트럼 계산하기.
• 자기장 작용 하에서 스핀 스칼라 편향성 평가하여 스핀 구조의 비평면성 평가하기.
• 면역파동 밴드의 색안 수 계산을 통해 위상적 특성 규명하기.
• 특히 비틀림 스핀 액체 상태를 포함한 다양한 스핀 구조에서 위상적 면역파동 밴드의 안정성 평가하기.
• 대칭성과 게이지 구조 분석을 통해 자기장 유도 상태에서 위상적 보호의 기원 규명하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 q=0 스핀 구조를 가진 기하학적 불안정성이 있는 카고메 격자 반자성체에서 DMI만으로 위상적 면역파동 밴드를 유도할 수 있는가?
• RQ2 이러한 반자성체에서 DMI에 의해 유도된 평면 내 비동축 스핀 상태에서 위상적 면역파동 밴드가 없는 이유는 무엇인가?
• RQ3 외부 수직 자기장이 DMI 없이도 위상적 면역파동 밴드를 수용할 수 있는 비평면 스핀 구조를 유도하는가?
• RQ4 기하학적 불안정성이 있는 카고메 반자성체의 비틀림 스핀 액체 상태에서 위상적 면역파동 밴드가 유지되는가?
• RQ5 DMI 없이도 스핀 스칼라 편향성이 위상적 면역파동 상태를 가능하게 하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 기하학적 불안정성이 있는 카고메 격자 반자성체에서 DMI에 의해 유도된 평면 내 비동축 스핀 상태에서는 위상적 면역파동 밴드가 존재하지 않음.
• 외부 수직 자기장이 비평면 스핀 구조와 함께 비영인 스핀 스칼라 편향성을 유도하여 시간역전 대칭성 파괴.
• 이 자기장 유도 스핀 편향성이 DMI 없이도 위상적 면역파동 밴드를 가능하게 하여, 새로운 위상적 면역파동 절연체 메커니즘 제공.
• 기하학적 불안정성이 있는 카고메 반자성체의 비틀림 스핀 액체 상태에서도 위상적 면역파동 밴드 유지.
• DMI 없이도 스핀 스칼라 편향성이 보존되는 강력한 위상적 면역파동 상이 존재함.
• 철 페로자르조라이트(KFe₃(OH)₆(SO₄)₂)는 이 자기장 유도 위상적 면역파동 절연체를 실현할 수 있는 유망한 후보 물질로 규명됨.