[論文レビュー] Topological Magnon Insulator in the Frustrated Kagom\'e-Lattice Antiferromagnets

S. A. Owerre|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2016

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、幾何的縮重性を持つカゴメ格子反強磁性体にジャローシュチェンスキー＝モリヤ相互作用（DMI）を含む系が、平面的で非反平行な基底状態においても、トポロジカルな磁気フォノンバンドが非自明であることを示している。これは、DMIが強磁性体ではトポロジカルな磁気フォノンを可能にするが、反強磁性体ではそのような効果が得られないという事実と対照的である。しかし、面外磁場を印加することで、非平面的スピン構造と非ゼロのスピンスカラーねじれが生じ、DMIが存在しない状態でもトポロジカルな磁気フォノンバンドが実現可能となる。この現象は、特にねじれスピン液体相においても成立し、幾何的縮重反強磁性体におけるトポロジカルな磁気フォノン絶縁体の実現に新たな道筋を示唆する。

ABSTRACT

Topological magnon insulators in insulating Kagome ferromagnets have been extensively studied in a series of papers. It has been established that Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) is the key ingredient to observe a nontrivial topological magnon with edge modes. However, insulating antiferromagnets on the Kagome lattice are frustrated systems considered as a playground for studying quantum spin liquid physics. In these systems the DMI can induce a coplanar but noncollinear magnetic orders with a $\mathbf{q}=0$ propagating wavevector. We show that topological magnon bands are absent in this coplanar spin texture in sharp contrast to collinear ferromagnets with DMI. Hence, geometrically frustrated Kagome antiferromagnets can be deemed topologically trivial. The presence of an out-of-plane magnetic field in these frustrated magnets induces noncoplanar spin textures exhibiting a nonzero spin scalar chirality. We show that the field-induced spin chirality provides topological magnon bands in Kagome antiferromagnets without the need of DMI and survives in the chiral spin liquid phase of frustrated magnets. Possible experimentally material includes iron jarosite KFe$_3$(OH)$_{6}$(SO$_{4}$)$_2$.

研究の動機と目的

• 幾何的縮重性を持つカゴメ格子反強磁性体にジャローシュチェンスキー＝モリヤ相互作用（DMI）を含む系において、トポロジカルな磁気フォノンバンドが出現するかどうかを調査すること。
• DMIが平面的で非反平行なスピン構造における非自明なトポロジカルな磁気フォノン状態を安定化させる役割を特定すること。
• 外部磁場がDMIが存在しない状態でも、トポロジカルな磁気フォノンバンドを誘発するかどうかを検討すること。
• 幾何的縮重反強磁性体のねじれスピン液体相におけるトポロジカルな磁気フォノンバンドの安定性を検証すること。
• 鉄ジャロサイト（KFe₃(OH)₆(SO₄)₂）など、磁場誘発トポロジカル磁気フォノン絶縁体を実現可能な候補材料を同定すること。

提案手法

• DMIおよび外部磁場を含むカゴメ格子反強磁性体のスピンハミルトニアンを解析すること。
• DMIおよび有限磁場下での線形スピン波理論を用いて磁気フォノンスペクトルを計算すること。
• 磁場印加下でのスピン構造の非平面的性質を評価するためにスピンスカラーねじれを評価すること。
• 磁気フォノンバンドのチーン数を計算し、トポロジカル性を特定すること。
• 特にねじれスピン液体相を含むさまざまなスピン構造におけるトポロジカル磁気フォノンバンドの安定性を評価すること。
• 対称性およびゲージ構造解析を用いて、磁場誘発相におけるトポロジカル保護の起源を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DMIのみで、q=0のスピン構造を持つ幾何的縮重カゴメ格子反強磁性体にトポロジカルな磁気フォノンバンドが誘発されるか？
• RQ2 なぜ、これらの反強磁性体において、DMIによって誘発された平面的で非反平行なスピン状態ではトポロジカルな磁気フォノンバンドが出現しないのか？
• RQ3 外部の面外磁場が、DMIが存在しない状態でも、トポロジカルな磁気フォノンバンドを担える非平面的スピン構造を誘発するか？
• RQ4 幾何的縮重カゴメ反強磁性体のねじれスピン液体相においても、トポロジカルな磁気フォノンバンドが安定に存在するか？
• RQ5 DMIが存在しない状態で、スピンスカラーねじれがどのようにトポロジカルな磁気フォノン状態を可能にするか？

主な発見

• DMIによって誘発される平面的で非反平行なスピン構造を示すカゴメ格子反強磁性体において、トポロジカルな磁気フォノンバンドは存在しない。
• 外部の面外磁場を印加することで、非平面的スピン構造と非ゼロのスピンスカラーねじれが生じ、時間反転対称性が破れる。
• この磁場誘発スピンねじれにより、DMIが存在しない状態でもトポロジカルな磁気フォノンバンドが実現可能となり、トポロジカル磁気フォノン絶縁体の新たなメカニズムが得られる。
• このトポロジカル磁気フォノンバンドは、幾何的縮重反強磁性体のねじれスピン液体相においても持続する。
• DMIが存在しない状態でも、スピンスカラーねじれによって保護される頑健なトポロジカル磁気フォノン相が観測される。
• 鉄ジャロサイト（KFe₃(OH)₆(SO₄)₂）は、この磁場誘発トポロジカル磁気フォノン絶縁体を実現可能な有望な候補材料として同定された。