[论文解读] Spin stiffness, spectral weight, and Landau damping of magnons in metallic spiral magnets

Pietro M. Bonetti, Walter Metzner|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

Magnetic properties of thin films参考文献 30被引用 12

一句话总结

本文通过在具有 Hubbard 相互作用的巡游电子系统中应用随机相位近似（RPA），研究了金属螺旋磁体中的自旋波模式。识别出三种不同的自旋波分支——两种为面外模式，一种为面内模式——推导了其自旋刚度、谱权重和 Landau 衰减率，发现尽管面内模式强烈衰减，但面外模式由于 Landau 衰减被抑制而表现出渐近稳定性。

ABSTRACT

We analyze the properties of magnons in metallic electron systems with spiral magnetic order. Our analysis is based on the random phase approximation for the susceptibilities of tight binding electrons with a local Hubbard interaction in two or three dimensions. We identify three magnon branches from poles in the susceptibilities, one associated with in-plane, the other two associated with out-of-plane fluctuations of the spiral order parameter. We derive general expressions for the spin stiffnesses and the spectral weights of the magnon modes, from which also the magnon velocities can be obtained. Moreover, we determine the size of the decay rates of the magnons due to Landau damping. While the decay rate of the in-plane mode is of the order of its excitation energy, the decay rate of the out-of-plane mode is smaller so that these modes are asymptotically stable excitations even in the presence of Landau damping.

研究动机与目标

• 理解具有 SU(2) 对称性破缺的金属螺旋磁体中的集体自旋激发。
• 确定此类系统中自旋波模式的自旋刚度、谱权重和衰减率。
• 研究费米海中电子-空穴对激发引起的 Landau 衰减的作用。
• 阐明为何面外自旋波即使存在衰减机制仍保持稳定。

提出的方法

• 在具有 Hubbard 相互作用的紧束缚模型中，使用随机相位近似（RPA）计算自旋和电荷响应函数。
• 通过局部旋转自旋坐标系，将螺旋态映射为类似铁磁态，以实现解析简化。
• 在动量-频率空间中推导响应函数的逆矩阵，并在 Goldstone 点附近展开，以提取自旋波特性。
• 通过响应函数矩阵的极点计算自旋刚度和谱权重。
• 通过费米面附近的电子-空穴连续区贡献评估 Landau 衰减率。
• 对二维 Hubbard 模型进行数值计算，取序波矢 Q = (π−2πη, π)。

实验结果

研究问题

• RQ1 在螺旋磁体中，自旋波模式的自旋刚度和谱权重如何依赖于面内与面外涨落？
• RQ2 每种自旋波分支的 Landau 衰减率的大小及其动量依赖性如何？
• RQ3 为何面外自旋波比面内模式更稳定，尽管其衰减机制相似？
• RQ4 RPA 框架如何捕捉到在完全破缺 SU(2) 对称性的螺旋态中出现的三种独立 Goldstone 模式？
• RQ5 费米面对决定金属螺旋系统中自旋波衰减的作用是什么？

主要发现

• 面内自旋波模式的衰减率与激发能相当，表明其强烈衰减为电子-空穴对。
• 面外自旋波模式的 Landau 衰减率远小于面内模式，使其成为渐近稳定的准粒子。
• 自旋刚度和谱权重由 RPA 响应函数矩阵的极点导出，从而可计算自旋波速度。
• 面内模式的 Landau 衰减具有与 Néel 态中相同的频率和动量依赖性。
• 在旋转坐标系中，由于对称性约束，面外模式的衰减被抑制，导致电子-空穴通道矩阵元减小。
• 二维 Hubbard 模型的数值结果验证了分析预测，即使在低掺杂情况下，面外模式仍保持稳定。