[论文解读] Nonreciprocal magnon excitations by the Dzyaloshinskii-Moriya interaction on the basis of bond magnetic toroidal multipoles

Takuya Matsumoto, Satoru Hayami|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 77被引用 18

一句话总结

该论文通过引入键磁偶极矩（BMTD）作为关键指标，建立了非中心对称磁体中非互易自旋波激发的微观机制。BMTD被定义为Dzyaloshinskii-Moriya（DM）矢量在键上平均自旋矩沿方向的投影，决定了自旋波能带在动量空间的非对称性。作者证明，BMTD的激活导致自旋波能带底部发生位移，并在一维链和三维呼吸型凯门晶格中引发谷能级分裂，表现出显著不同的非互易行为。

ABSTRACT

The microscopic conditions for the emergence of nonreciprocal magnon excitations in noncentrosymmetric magnets are theoretically investigated. We show that asymmetric magnon excitations appear when a bond magnetic toroidal dipole becomes active, which is defined as a parallel component between the Dzyaloshinskii-Moriya vector and the averaged spin moments at the ends of the bonds. Depending on magnetic structures accompanying the bond magnetic toroidal dipoles, the higher-rank magnetic toroidal multipoles can also be activated in a magnetic cluster, which describes various angle dependences of asymmetric magnon excitations. We demonstrate a variety of asymmetric magnon excitations for two magnetic systems in the noncentrosymmetric lattice structures; a one-dimensional breathing chain under a uniform crystalline electric field and a three-dimensional layered breathing kagome structure. We show that a bottom shift of magnon bands occurs by the magnetic toroidal dipole and a valley splitting occurs by the magnetic toroidal octupole under magnetic orderings.

研究动机与目标

• 确定非中心对称磁性系统中非互易自旋波激发的微观起源。
• 确立键磁偶极矩（BMTD）作为非互易自旋波行为的定量指标。
• 证明BMTD及更高阶簇磁偶极矩（CMT）多极矩控制非互易自旋波色散在动量空间的函数形式。
• 展示BMTD框架在不同磁有序态和空间维度下的适用性，包括共线与非共线态。
• 通过磁偶极矩多极矩在真实晶格模型中，为非互易自旋波能带分裂提供统一的理论描述。

提出的方法

• 将键磁偶极矩（BMTD）定义为Dzyaloshinskii-Moriya（DM）矢量与键上平均自旋矩的平行分量。
• 从具有交替键相互作用和DM项的局域自旋哈密顿量推导出BMTD。
• 应用Holstein-Primakoff变换将自旋算符映射为费米子准粒子，并推导出Bogoliubov哈密顿量。
• 采用线性自旋波理论计算自旋波色散关系，并提取非互易能带不对称性。
• 分析两个模型体系：在晶体电场作用下的准一维自旋链，以及三维呼吸型凯门晶格。
• 采用对称性自适应多极分类方法，将CMT多极矩与不同的非互易自旋波响应关联起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 非中心对称磁体中非互易自旋波激发的微观条件是什么？
• RQ2 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用如何产生非互易自旋波能带结构？
• RQ3 键磁偶极矩（BMTD）在决定自旋波色散动量空间非对称性中起什么作用？
• RQ4 更高阶磁偶极矩多极矩（CMT）如何影响非互易自旋波激发的角度依赖性？
• RQ5 BMTD框架能否预测并分类不同磁有序态和晶格几何结构中的非互易自旋波行为？

主要发现

• 当键磁偶极矩（BMTD）非零时，非互易自旋波激发出现，其定义为DM矢量在键上平均自旋矩方向的投影。
• 自旋波能带底部发生位移，由磁偶极矩（BMTD）引起，该现象在1D链的铁磁和反铁磁态中均被观察到。
• 在三维呼吸型凯门晶格体系中，磁偶极矩八极矩（更高阶CMT多极矩）在磁有序下导致自旋波色散的谷能级分裂。
• BMTD框架成功地对不同磁有序态（包括共线与非共线态）中的非互易自旋波行为进行了分类。
• 该模型预测在一维链和三维凯门晶格中表现出不同的非互易能带色散，其能带不对称性在定量上取决于γ′的符号和磁结构。
• 本研究建立了BMTD空间分布与动量空间中非互易自旋波色散函数形式之间的直接联系。