[论文解读] Dzyaloshinskii-Moriya Induced Topological Magnon-Phonon Hybridization in 2D Antiferromagnetic Insulators with Tunable Chern Numbers

Bowen Ma, Gregory A. Fiete|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出，在具有镜像对称性破缺的二维反铁磁绝缘体中，由声子诱导的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）可导致具有可调陈数的拓扑磁子-极化子能带。通过调节外磁场，系统展现出非平凡的贝里曲率和量化热霍尔电导率，其中自旋诱导的手性声子作为谷霍尔效应的可探测特征。

ABSTRACT

We theoretically study magnon-phonon hybrid excitations (magnon-polarons) in two-dimensional antiferromagnets on a honeycomb lattice. With an in-plane Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) allowed from mirror symmetry breaking from phonons, we find non-trivial Berry curvature around the anti-crossing rings among magnon and both optical and acoustic phonon bands, which gives rise to finite Chern numbers. We show that the Chern numbers of the magnon-polaron bands can be manipulated by changing the magnetic field direction or strength. We evaluate the thermal Hall conductivity reflecting the non-trivial Berry curvatures of magnon-polarons and propose a valley Hall effect resulting from spin-induced chiral phonons as a possible experimental signature. Our study complements prior work on magnon-phonon hybridized systems without optical phonons and suggests possible applications in spin caloritronics with topological magnons and chiral phonons.

研究动机与目标

• 研究具有面内Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的二维蜂窝晶格反铁磁体中磁子-声子杂化的机制，该DMI由声子介导的对称性破缺引起。
• 探讨由声子产生的DMI如何在磁子-极化子能带中产生非平凡的贝里曲率。
• 证明通过调节外磁场的强度和方向，可实现磁子-极化子能带陈数的可调性。
• 评估热霍尔电导率作为磁子-极化子系统中非平凡拓扑性质的探测手段。
• 提出通过自旋诱导的手性声子实现谷霍尔效应，作为实验可探测的特征。

提出的方法

• 采用包含自旋-声子耦合、打破镜像对称性的二维蜂窝晶格反铁磁体理论模型，以实现面内DMI。
• 推导包含光学和声学声子模以及磁子模的磁子-声子耦合哈密顿量。
• 利用耦合体系的本征态计算杂化磁子-极化子能带的贝里曲率和陈数。
• 施加外磁场以调节磁子色散关系，并控制杂化能带的拓扑性质。
• 评估热霍尔电导率随外磁场的变化，以反映磁子-极化子非平凡拓扑特性。
• 分析由自旋纹理诱导的手性声子的出现，提出其作为谷霍尔输运的潜在实验信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 声子诱导的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用如何在二维反铁磁体中导致拓扑磁子-极化子能带？
• RQ2 通过改变外磁场的方向和强度，能否调节磁子-极化子能带的陈数？
• RQ3 非平凡的贝里曲率在磁子-极化子系统中如何导致量化热霍尔电导率的产生？
• RQ4 自旋诱导的手性声子如何产生，并作为谷霍尔效应的可探测信号？
• RQ5 同时包含光学和声学声子对磁子-极化子能带的拓扑特性有何影响？

主要发现

• 由声子诱导的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用导致磁子与声子能带之间出现反交叉环，从而产生非平凡的贝里曲率。
• 通过改变外磁场的方向和强度，磁子-极化子能带的陈数可调，实现对拓扑相的动态调控。
• 由于非平凡的贝里曲率，系统出现有限的热霍尔电导率，为拓扑磁子-极化子提供了可观测的信号。
• 自旋诱导的手性声子源于体系中的自旋纹理，为谷霍尔效应提供了潜在的实验探测信号。
• 同时包含光学和声学声子使拓扑能带结构较以往仅考虑声学模式的模型更为丰富。
• 该体系支持具有量化输运特性的拓扑磁子-极化子，预示其在自旋热电学和拓扑自旋电子学中的应用前景。