[논문 리뷰] Magnon triple points, topological transitions, and thermal Hall effect in pyrochlore iridates

Kyusung Hwang, Nandini Trivedi외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 21.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 모든-모두-방향 반자성 질서를 가진 페로초라이트 이리데이트의 자성파 밴드 구조에서 삼중점(topological semimetal)의 보송스키적 유사체를 제안한다. Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용을 조절함으로써 세 가지의 서로 다른 위상적 영역가 나타나며, 각각 고유한 삼중점 구성이 특징이다. 열 홀 전도도는 실험적으로 중요한 탐지 수단이 되어, 질서의 위상 전이를 탐지할 수 있도록 서로 다른 반응을 보이며, 실제 물질에서의 DM 상호작용 강도를 추정하는 데 기여한다.

ABSTRACT

Triple points, triply degenerate band crossings, have been recently identified as a new type of fermion realized in electronic systems. We present a bosonic analog of a triple point topological semimetal. We theoretically show that such triple points can arise in the magnon band structure of pyrochlore iridates with the all-in-all-out antiferromagnetic order. By controlling the strength of Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction in our spin model, we find three distinct regimes of magnon band topology, distinguished by different configurations of triple points in the Brillouin zone. We calculate the thermal Hall conductivity as an experimental probe of the magnon band topology. We find that the three regimes exhibit qualitatively different magnon thermal Hall effect. Particularly, in a regime relevant for real materials, the system shows a characteristic thermal Hall response that can be used to estimate the size of the DM interaction in experiments.

연구 동기 및 목표

• 페로초라이트 이리데이트의 자성파 밴드에서 삼중점 페르미온의 보송스키적 유사체를 규명하는 것.
• Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용을 변화시킬 경우 자성파 밴드 위상이 어떻게 변화하는지 탐구하는 것.
• 자성파 시스템의 위상 전이를 탐지하기 위한 열 홀 전도도의 측정 가능 서명을 확립하는 것.
• 관측된 열 홀 응답과 실제 물질에서의 DM 상호작용 강도 사이의 정량적 연관성을 제공하는 것.

제안 방법

• 헤이젠베르크 스핀 교환 상호작용과 Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용을 포함한 페로초라이트 이리데이트의 스핀 해밀토니안을 수립한다.
• 홀스타인-프리마코프 변환을 사용하여 스핀 모델을 자성파 진동으로 매핑한다.
• 모멘텀 공간에서 삼중점 디게너시를 식별하기 위해 자성파 밴드 구조를 분석한다.
• 브릴루앙 존 내에서 삼중점의 구성과 안정성에 따라 위상적 상을 분류한다.
• 선형 반응 이론을 사용하여 열 홀 전도도를 계산하고 위상적 질서를 탐지한다.
• 이론적 예측을 실험 관측 가능 물리량과 비교하여 DM 상호작용 강도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자적 삼중점과 유사한 삼중점 노드가 페로초라이트 이리데이트의 자성파 밴드 구조에 나타날 수 있는가?
• RQ2 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용을 조절하면 자성파 스펙트럼에서 어떻게 다른 위상적 상이 발생하는가?
• RQ3 이 시스템에서 자성파 밴드 위상 구조를 탐지하기 위해 열 홀 전도도가 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 세 개의 식별된 영역 간에 삼중점의 위상적 구성은 어떻게 다름?
• RQ5 열 홀 응답을 통해 실험적으로 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용의 크기를 추정할 수 있는가?

주요 결과

• 세 가지의 서로 다른 위상적 영역가 자성파 밴드 구조에서 식별되었으며, 각각 브릴루앙 존 내에서 고유한 삼중점 구성이 특징이다.
• 시스템은 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용의 강도에 의해 유도된 위상 전이를 나타낸다.
• 열 홀 전도도는 세 영역 간에 정성적으로 다른 반응을 보이며, 고유한 실험적 서명으로 기능한다.
• 실제 물질에 해당하는 영역에서는 열 홀 응답이 특징적인 패tern을 보이며, 이는 DM 상호작용 강도를 추정하는 데 기여한다.
• 자성파 열 홀 효과는 페로초라이트 이리데이트에서 위상적 질서를 직접적으로 탐지하고 정량화할 수 있는 실험적 경로를 제공한다.