[论文解读] Magnon triple points, topological transitions, and thermal Hall effect in pyrochlore iridates

Kyusung Hwang, Nandini Trivedi+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用 2

一句话总结

本文提出在所有-所有反铁磁有序的尖晶石型铱酸盐的自旋波能带结构中，实现三重简并点拓扑半金属的任意子类比。通过调节Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，出现三种不同的拓扑相，每种相具有独特的三重简并点构型；热霍尔电导率作为关键实验探测手段，揭示了定性不同的响应，从而可估算真实材料中DM相互作用的强度。

ABSTRACT

Triple points, triply degenerate band crossings, have been recently identified as a new type of fermion realized in electronic systems. We present a bosonic analog of a triple point topological semimetal. We theoretically show that such triple points can arise in the magnon band structure of pyrochlore iridates with the all-in-all-out antiferromagnetic order. By controlling the strength of Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction in our spin model, we find three distinct regimes of magnon band topology, distinguished by different configurations of triple points in the Brillouin zone. We calculate the thermal Hall conductivity as an experimental probe of the magnon band topology. We find that the three regimes exhibit qualitatively different magnon thermal Hall effect. Particularly, in a regime relevant for real materials, the system shows a characteristic thermal Hall response that can be used to estimate the size of the DM interaction in experiments.

研究动机与目标

• 在尖晶石型铱酸盐的自旋波能带中，识别电子三重简并点的任意子类比。
• 探究改变Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用如何改变自旋波能带的拓扑性质。
• 确立热霍尔电导率为自旋波系统中拓扑相变的可观测量。
• 建立实验观测到的热霍尔响应与真实材料中DM相互作用强度之间的定量联系。

提出的方法

• 构建包含海森堡交换作用和Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用的尖晶石型铱酸盐自旋哈密顿量。
• 利用Holstein-Primakoff变换将自旋模型映射为自旋波激发。
• 分析自旋波能带结构，识别动量空间中的三重简并点。
• 基于布里渊区中三重简并点的构型与稳定性，对拓扑相进行分类。
• 使用线性响应理论计算热霍尔电导率，以探测拓扑序。
• 将理论预测与实验可观测量进行比较，以估算DM相互作用强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 类似于电子三重简并点，尖晶石型铱酸盐的自旋波能带结构中是否可能出现三重简并点？
• RQ2 调节Dzyaloshinskii-Moriya相互作用如何导致自旋谱中出现不同的拓扑相？
• RQ3 热霍尔电导率在这些体系中作为自旋波能带拓扑探测手段的作用是什么？
• RQ4 在三个已识别的相中，三重简并点的拓扑构型有何差异？
• RQ5 热霍尔响应是否可用于实验估算Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的大小？

主要发现

• 在自旋波能带结构中识别出三种不同的拓扑相，每种相在布里渊区中具有独特的三重简并点构型。
• 系统表现出由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用强度驱动的拓扑相变。
• 热霍尔电导率在三个相中表现出定性不同的响应，构成独特的实验信号。
• 在与真实材料相关的相中，热霍尔响应呈现出特征性模式，从而可估算DM相互作用强度。
• 自旋波热霍尔效应为直接实验探测并量化尖晶石型铱酸盐中的拓扑序提供了明确路径。