[论文解读] Floquet Weyl Magnons

S. A. Owerre|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 74被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种通过圆偏振光辐照在三维量子磁体中实现磁子外尔点的机制，利用弗洛凯-布洛赫理论诱导有效时间反演对称性破缺。关键结果是在狄拉克节点线和带隙 trivial 绝缘体系统中均实现了可调谐、拓扑保护的磁子外尔点，通过能带结构、贝里曲率及反常热霍尔效应计算得到验证。

ABSTRACT

In three-dimensional (3D) quantum magnets, magnonic Weyl points (WPs) featuring linear band crossing of two non-degenerate magnon branches can emerge in certain lattice geometry when time-reversal symmetry is broken macroscopically. Unfortunately, there are very limited 3D quantum magnets that host magnonic WPs, and they are yet to be observed experimentally because the intrinsic perturbative interactions that break time-reversal symmetry macroscopically can be very negligible. Here, we present an alternative means via photo-irradiation, in which magnonic WPs can emerge in 3D quantum magnets without relying on intrinsic perturbative interactions to break time-reversal symmetry. By utilizing the magnonic Floquet-Bloch theory, we put forward the general theory of magnonic Floquet WPs in 3D quantum magnets. We show that periodically driven 3D magnonic Dirac nodal-line (DNL) and 3D magnonic gapped trivial insulators can generate 3D magnonic Floquet WPs, which can be tuned by the incident circularly-polarized light. We demonstrate the existence of magnonic Floquet WPs by combining the study of the magnon dispersions, Berry curvatures, and the anomalous thermal Hall effect. The general theoretical formalism can be applied to different magnetic insulators, and thus extending the concept of magnonic WPs to a broader class of 3D magnetically ordered systems.

研究动机与目标

• 为解决由于本征时间反演对称性破缺相互作用微弱而难以在三维量子磁体中观测磁子外尔点的实验挑战。
• 探索超越本征微扰相互作用的实现拓扑保护磁子外尔点的替代机制。
• 通过周期性光辐照将磁子外尔点概念扩展到更广泛的磁性绝缘体类别。
• 基于弗洛凯-布洛赫理论和拓扑不变量，建立磁子弗洛凯外尔点的一般理论框架。
• 通过磁子能带色散、贝里曲率及反常热霍尔效应，证明这些态的存在。

提出的方法

• 利用磁子弗洛凯-布洛赫理论描述在圆偏振光辐照下周期性驱动的三维量子磁体。
• 使用时变微扰理论推导有效弗洛凯哈密顿量，包含光致矢量势和阿哈诺夫-卡舍尔相位。
• 将系统建模为具有磁偶极矩的无质量中性粒子，通过狄拉克-泡利拉格朗日量与时间周期性电磁场耦合。
• 在动量空间中计算有效哈密顿量，显示通过贝塞尔函数调制的跃迁积分实现光可调的外尔点形成。
• 分析贝里曲率等拓扑不变量，并量化反常热霍尔效应以确认外尔点的特征。
• 将该形式化方法应用于狄拉克节点线和带隙 trivial 绝缘体系统，证明磁子外尔点的普遍出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖本征时间反演对称性破缺相互作用的情况下，在三维量子磁体中诱导磁子外尔点？
• RQ2 圆偏振光如何驱动磁性绝缘体中拓扑保护磁子外尔点的形成？
• RQ3 阿哈诺夫-卡舍尔效应在周期性驱动系统中为磁子生成有效规范场中起什么作用？
• RQ4 反常热霍尔效应能否作为光辐照系统中磁子外尔点的稳健实验信号？
• RQ5 弗洛凯工程方法在多类三维磁性绝缘体中的通用性程度如何？

主要发现

• 在圆偏振光辐照下，即使缺乏本征时间反演对称性破缺，三维量子磁体中仍可出现磁子外尔点。
• 外尔点可通过入射光的强度和偏振进行调控，实现对拓扑磁子态的动态控制。
• 从弗洛凯-布洛赫理论导出的有效哈密顿量显示，光致贝塞尔函数调制的跃迁项可产生线性能带交叉。
• 系统在外尔点处表现出非零的贝里曲率，证实其作为动量空间中的单极子具有拓扑本质。
• 预测存在有限的反常热霍尔信号，为磁子外尔点提供了可测量的实验信号。
• 该机制普遍适用于狄拉克节点线和带隙 trivial 绝缘体系统，显著拓宽了潜在宿主材料的范围。