[论文解读] Catalog of Unconventional Magnons in Collinear Magnets

Xiaobing Chen, Yuntian Liu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2023

Magnetic properties of thin films被引用 6

一句话总结

本文提出了一套全面的自旋空间群（SSG）理论，用于分类1,421种共线磁性空间群，实现了对498种共线磁体中非平凡自旋波能带节点（如十二重简并点、八重节点线及电荷为4的八重简并点）的系统识别。第一性原理计算表明，其中超过80%的体系由各向同性海森堡相互作用主导，验证了SSG作为3d、4d及半满4f磁体中拓扑自旋波学的稳健框架。

ABSTRACT

Topological magnons have garnered significant interest for their potential in both fundamental research and device applications, owing to their exotic, uncharged, yet topologically protected boundary modes. However, their comprehension has been hindered by the absence of fundamental symmetry descriptions of magnetic materials, which are primarily governed by isotropic Heisenberg interactions in spin Hamiltonians. The ensuing magnon dispersions enable gapless magnon band nodes that go beyond the scenario of representation theory of the magnetic space groups (MSGs), thus referred to as unconventional magnons. Here we developed spin space group (SSG) theory to elucidate collinear magnetic configurations, classifying the 1421 collinear SSGs into four types, constructing their band representations, and providing a comprehensive tabulation of unconventional magnons, such as duodecuple points, octuple nodal lines, and charge-4 octuple points. Based on the MAGNDATA database, we identified 498 collinear magnets with unconventional magnons, among which over 200 magnon band structures were obtained by using first-principles calculations and linear spin wave theory. Additionally, we evaluated the influence of the spin-orbit coupling-induced exchange interaction in these magnets and found that more than 80% are predominantly governed by the Heisenberg interactions, indicating that SSG serves as an ideal framework for describing magnon band nodes in most 3d, 4d and half-filled 4f collinear magnets. Our work offers new pathways for exploring uncharged transports in magnonic systems, holding promise for advancements in next-generation spintronic devices.

研究动机与目标

• 为缺乏由各向同性海森堡相互作用主导的磁性材料的基本对称性描述的问题提供解决方案，以克服对拓扑自旋波能带节点理解的障碍。
• 发展一种自旋空间群（SSG）理论，用于分类共线磁性构型，并实现对标准表示理论之外的非平凡自旋波色散关系的系统识别。
• 编制一份包含1,421个共线SSG及其能带表示的全面数据库，涵盖如十二重简并点和八重节点线等奇异自旋波节点。
• 利用第一性原理计算和线性自旋波理论，识别并验证具有非平凡自旋波的候选材料。
• 评估自旋-轨道耦合在这些体系中的作用，确定在大多数3d、4d及半满4f共线磁体中海森堡相互作用的主导地位。

提出的方法

• 作者基于对称性性质对全部1,421个共线自旋空间群（SSG）进行分类，并构建其能带表示，以分析自旋波色散关系。
• 他们利用SSG的群论与表示理论，预测非平凡自旋波能带节点的存在，包括高简并点和节点线。
• 通过第一性原理计算和线性自旋波理论，计算了来自MAGNDATA数据库中超过200种材料的自旋波能带结构。
• 通过比较包含与不包含自旋-轨道效应时的交换相互作用，评估自旋-轨道耦合的影响，证实海森堡项占主导地位。
• 编制了一个大规模的SSG及其相关自旋波能带结构数据库，并通过专用网址公开发布。
• 通过分析预测的能带节点与无显式磁性空间群表示时的对称性保护拓扑不变量之间的一致性，验证了该框架的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在由各向同性海森堡相互作用主导的共线磁体中，除磁性空间群表示理论标准之外，还能出现哪些类型的非平凡自旋波能带节点？
• RQ2 如何通过统一的对称性框架（如自旋空间群SSG理论）对共线磁性体系中自旋波色散关系的拓扑性质进行分类与预测？
• RQ3 哪些真实材料承载这些非平凡自旋波节点？从现有数据库中可识别出多少种？
• RQ4 所观测到的自旋波能带节点在多大程度上由海森堡交换相互作用稳定？自旋-轨道耦合如何影响其稳定性？
• RQ5 SSG理论能否作为可靠且具有预测能力的框架，用于识别3d、4d及半满4f过渡金属和稀土磁体中的拓扑自旋波？

主要发现

• 该研究识别出498种共线磁体，其具有非平凡自旋波能带节点，其中超过200种材料的自旋波能带结构通过第一性原理方法和线性自旋波理论进行了计算。
• 在所识别的498种材料中，超过80%主要受各向同性海森堡交换相互作用控制，证实SSG理论在描述其拓扑自旋波谱方面的稳健性。
• 该框架成功预测并分类了奇异能带节点，包括十二重简并点（12重简并）、八重节点线（8重简并）以及电荷为4的八重简并点。
• 1,421个共线SSG根据其对称性与能带表示特性被系统性地划分为四类，实现了完整的拓扑目录。
• 公开数据库包含完整的SSG数据、能带表示及自旋波能带结构，支持未来材料发现与理论分析。
• 结果表明，SSG理论为识别无须依赖磁性空间群表示理论的磁性材料中拓扑保护的自旋波模式，提供了一种强大且具有预测能力的工具。