[論文レビュー] Spin interactions and topological magnonics in chromium trihalide CrClBrI

Eliot Heinrich, Xin Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

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ひとこと要約

本稿では、CrClBrIモノレイヤーのスピンハミルトニアンモデルを提案する。これは、C3対称性の破れに起因する結合依存性Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用およびヘイゼンベルグ相互作用を持つ、van der Waals磁性体である。モンテカルロシミュレーションとスピン波理論を用いて、非自明なトポロジカルな磁気励起子バンドが非ゼロのチーン数を示し、熱的ホール効果を示すエッジ状態を支持することが示された。このエッジ状態の符号は温度および磁場の変化に伴い反転する。したがって、CrClBrIは2次元非共線スピン系におけるトポロジカル磁気励起子輸送の候補である。

ABSTRACT

The discovery of spontaneous magnetism in van der Waal (vdW) magnetic monolayers has opened up an unprecedented platform for investigating magnetism in purely two-dimensional systems. Recently, it has been shown that the magnetic properties of vdW magnets can be easily tuned by adjusting the relative composition of halides. Motivated by these experimental advances, here we derive a model for a trihalide CrClBrI monolayer from symmetry principles and we find that, in contrast to its single-halide counterparts, it can display highly anisotropic nearest- and next-to-nearest neighbor Dzyaloshinskii-Moriya and Heisenberg interactions. Depending on the parameters, the DM interactions are responsible for the formation of exotic chiral spin states, such as skyrmions and spin cycloids, as shown by our Monte Carlo simulations. Focusing on a ground state with a two-sublattice unit cell, we find spin-wave bands with nonvanishing Chern numbers. The resulting magnon edge states yield a magnon thermal Hall conductivity that changes sign as function of temperature and magnetic field, suggesting chromium trihalides as a candidate for testing topological magnon transport in two-dimensional noncollinear spin systems.

研究の動機と目的

• 混合ハライドに起因するC3対称性の破れに起因する結合依存性交換相互作用を有するCrClBrIモノレイヤーの対称性に基づくスピンハミルトニアンモデルの構築。
• C3対称性が破れた2次元非共線スピン系におけるトポロジカル磁気励起子相の出現の解明。
• 異方的Dzyaloshinskii-Moriyaおよびヘイゼンベルグ相互作用が、特異なキラルスピン構造（スカイメロンやスピンサイクロイドなど）を安定化する役割を解明。
• トポロジカルに保護された磁気励起子エッジ状態の存在を示し、その熱的ホール効果への寄与を実証。

提案手法

• 局所対称性とMoriyaの規則に基づき、結合依存性ヘイゼンベルグおよびDzyaloshinskii-Moriya相互作用を有するスピンハミルトニアンを導出。
• サイトおよび結合に特有の交換結合定数JijおよびDijを用いて、最近接（NN）および次近接（NNN）スピン相互作用をモデル化。
• さまざまな相互作用パラメータ下での基底状態を探索するため、古典的モンテカルロシミュレーションを実施。
• スピン波スペクトルを計算し、チーン数を評価することでトポロジカルな磁気励起子バンドの特定。
• スピン波理論を用いて磁気励起子熱的ホール伝導度を解析し、エッジ状態の寄与を評価。
• 非自明なトポロジーおよびエッジ状態形成の理解を図るため、2サブラットスセルの近似を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrClBrIにおける結合依存性Dzyaloshinskii-Moriya相互作用は、トポロジカルに非自明な磁気励起子バンドを生じるか？
• RQ2 異方的スピン相互作用は、スカイメロンやスピンサイクロイドなどの特異なキラルスピン状態を安定化する役割を果たすか？
• RQ3 この系における磁気励起子熱的ホール伝導度は、温度および磁場にどのように依存するか？
• RQ4 トポロジカルエッジ状態の存在により、熱的ホール伝導度が符号反転を示すか？
• RQ5 リガンド組成の変化は、非共線スピン秩序およびトポロジカル磁気励起子相の出現にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 混合ハライドに起因するC3対称性の破れにより、CrClBrIモノレイヤーは、最近接および次近接スピン間で顕著な異方的Dzyaloshinskii-Moriyaおよびヘイゼンベルグ相互作用を示す。
• モンテカルロシミュレーションにより、相互作用パラメータに応じて、スカイメロンやスピンサイクロイドを含む特異なキラルスピン状態が形成されることを確認した。
• 2サブラットスセル基底状態におけるスピン波バンドは非ゼロのチーン数を示し、トポロジカル磁気励起子相を示唆する。
• トポロジカル磁気励起子エッジ状態が出現し、その寄与により磁気励起子熱的ホール伝導度が温度および磁場の変化に伴い符号反転することが明らかになった。
• 本系は調整可能なトポロジカル磁気励起子輸送応答を示し、2次元トポロジカル磁気励起子工学の有望なプラットフォームである。
• モデルは、内部スピン軌道結合が存在しない状況でも、結合依存性DM相互作用によって非自明なトポロジーおよびエッジ状態が実現可能であると予測している。