[论文解读] Neutron Scattering Signatures of Magnon Weyl Points

Saumya Shivam, R. Coldea+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文建立了一个通用框架，将自旋轨道耦合的三维磁体中磁振子外尔点的拓扑性质与非弹性中子散射（INS）强度联系起来。研究表明，外尔点附近的INS截面表现出特征性的强度各向异性，其标度为$ \hat{\mathbf{n}} \cdot \delta\hat{\mathbf{k}}$，其中$\hat{\mathbf{n}}$为由磁哈密顿量固定的赝自旋极化方向，从而实现了对拓扑磁振动能带结构的直接实验探测。

ABSTRACT

We study the inelastic neutron scattering cross section in the vicinity of touching points in magnon bands. Among the possible touching points are magnon Weyl points in three dimensional ordered magnets with significant spin-orbit coupling that are characterized by a linear dispersion in their vicinity. A Weyl point is topologically protected by its net chirality and here we show that this leads to a characteristic form for the dynamical structure factor. To address this question, we show that scattering intensities in the vicinity of arbitrary magnon two-band touching points are identical to expectation values of the pseudospin polarization along some direction $\hat{\boldsymbol{n}}$ in momentum space fixed by the magnetic Hamiltonian. This approach applied to Weyl points shows that they are singular points in the intensity of the form $\hat{\boldsymbol{n}}\cdot δ\hat{\boldsymbol{k}}$ regardless of the magnetic ground state. We make specific predictions for the experimental signatures of such intensity singularities in several spin models hosting Weyl magnons applicable to candidate materials.

研究动机与目标

• 识别非弹性中子散射（INS）数据中磁振子外尔点的实验可探测特征。
• 建立一个通用的理论框架，将INS强度与磁能带简并点的赝自旋纹理联系起来。
• 预测由拓扑保护和手性能带结构引起的外尔点周围特定的各向异性强度模式。
• 在具有候选材料（如尖晶石型和堆叠蜂窝状铁磁体）相关性的实际自旋模型上展示该方法。
• 表明强度各向异性的方向（$\hat{\mathbf{n}}$）编码了局部赝自旋纹理，从而可实现对外尔节点处$\mathbf{d}$-矢量的映射。

提出的方法

• 微分散射截面表示为自旋波模式之和，动力学结构因子$S^{\alpha\beta}(\mathbf{k},\omega)$通过线性$1/S$自旋波理论计算得出。
• 在双能带简并点附近，强度被重写为沿由磁哈密顿量决定的动量依赖方向$\hat{\mathbf{n}}$的赝自旋极化期望值。
• 外尔点附近的有效哈密顿量由$\mathbf{d}$-矢量参数化，散射算符方向$\hat{\mathbf{n}}$由中子算符与自旋本征态的重叠推导得出。
• 该方法应用于具有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的蜂窝状、尖晶石型和堆叠蜂窝状铁磁体中的二维狄拉克点和三维外尔点。
• 通过将完整动力学结构因子的数值计算结果与投影的双能带模型进行比较，验证了分析预测。
• 各向异性的轴$\hat{\mathbf{n}}$被识别为强度从最大值到最小值穿过外尔节点的方向，其在等能图中形成“强度弧”。

实验结果

研究问题

• RQ1 非弹性中子散射强度在外尔点附近的行为如何？强度模式中编码了哪些拓扑特征？
• RQ2 能否通过INS实验探测外尔节点附近磁振动能带的赝自旋纹理？如果可以，如何实现？
• RQ3 外尔点处强度奇点的功能形式是什么？它如何依赖于磁哈密顿量？
• RQ4 不同的磁基态和自旋轨道耦合如何导致INS数据中不同的强度各向异性？
• RQ5 是否可以通过外场或对称性破缺来调控或映射各向异性的轴方向$\hat{\mathbf{n}}$？

主要发现

• 在磁振子外尔点附近，中子散射强度标度为$\hat{\mathbf{n}} \cdot \delta\hat{\mathbf{k}}$，其中$\hat{\mathbf{n}}$为由磁哈密顿量固定的赝自旋极化方向，导致奇异的强度模式。
• 在具有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的尖晶石型铁磁体中，各向异性的轴与磁化方向对齐，例如$[111]$方向，且强度沿该轴围绕节点旋转。
• 在具有Dzyaloshinskii-Moriya耦合的堆叠蜂窝状铁磁体中，外尔点$(k_x, 0, 0)$处的各向异性的轴与x方向对齐，该结果通过完整计算和双能带投影均得到证实。
• 强度模式在等能图中形成“强度弧”，类似于电子外尔半金属中的费米弧，为拓扑磁振动能带提供了直接的实验信号。
• 通过施加磁场可调节方向$\hat{\mathbf{n}}$，从而能够系统地映射外尔节点处的$\mathbf{d}$-矢量纹理。
• 该方法具有普适性，适用于所有双能带简并点，包括狄拉克点，其强度模式由局部旋矢纹理和中子算符的耦合方向决定。