[论文解读] Microscopic theory of electrically induced spin torques in magnetic Weyl semimetals

Daichi Kurebayashi, Kentaro Nomura|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 84被引用 16

一句话总结

本文提出磁性外尔半金属中电致自旋扭力的微观理论，表明自旋-轨道扭力与轴向电流密度成正比，而自旋转移扭力和β项由于系统的拓扑结构而缺失。电荷诱导的自旋扭力源于手征异常，将自旋动力学与模型中的轴向电流算符联系起来。

ABSTRACT

We theoretically study electrical responses of magnetization in Weyl semimetals. The Weyl semimetal is a new class of topological semimetals, possessing hedgehog type spin textures in momentum space. Because of this peculiar spin texture, an interplay of electron transport and spin dynamics might provide new method to electrical control of magnetization. In this paper, we consider the magnetically doped Weyl semimetals, and systematically study current- and charge-induced spin torque exerted on the local magnetization in three-dimensional Dirac-Weyl metals. We determine all current-induced spin torques including spin-orbit torque, spin-transfer torque, and the so-called $\beta$-term, up to first order with respect to spatial and temporal derivation and electrical currents. We find that spin-transfer torque and $\beta$-term are absent while spin-orbit torque is proportional to the axial current density. We also calculate the charge-induced spin torque microscopically. We find the charge-induced spin torque originates from the chiral anomaly due to the correspondence between spin operators and axial current operators in our model.

研究动机与目标

• 为磁性外尔半金属中的电荷诱导自旋扭力建立微观基础。
• 系统计算三维狄拉克-外尔金属中的电流和电荷诱导自旋扭力。
• 阐明该拓扑体系中自旋转移扭力和β项缺失的原因。
• 通过手征异常机制识别电荷诱导自旋扭力的起源。
• 在连续模型中提供自旋-轨道扭力和电荷诱导扭力的解析表达式。

提出的方法

• 为具有局域磁化的磁性外尔半金属构建连续模型。
• 使用线性响应理论，计算自旋密度⟨ˆσ(r)⟩至时间与空间梯度的一阶项。
• 通过朗道-李夫希茨-吉尔伯特方程计算自旋扭力，其贡献来自电流和电荷密度。
• 通过自旋-动量锁定机制，将自旋-轨道扭力识别为与轴向电流密度成正比。
• 通过自旋算符与轴向电流算符之间的对应关系，将电荷诱导扭力与手征异常联系起来。
• 为保持有效哈密顿量中的局域手征规范对称性，忽略节点间散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性外尔半金属中电荷诱导自旋扭力的微观起源是什么？
• RQ2 在该体系中，电流诱导的自旋扭力——包括自旋-轨道扭力、自旋转移扭力和β项——如何表现？
• RQ3 尽管有普遍预期，为何磁性外尔半金属中自旋转移扭力和β项会缺失？
• RQ4 手征异常如何在自旋扭力生成中体现？
• RQ5 在存在轴向电流的情况下，自旋-轨道扭力的解析形式是什么？

主要发现

• 自旋-轨道扭力与轴向电流密度成正比，源于外尔半金属中的自旋-动量锁定。
• 自旋转移扭力和β项的缺失是由于模型中输运与自旋动力学之间特定的对应关系。
• 电荷诱导自旋扭力起源于手征异常，自旋算符与轴向电流算符之间存在直接联系。
• 电荷诱导自旋扭力的解析形式与先前的唯象预测一致。
• 自旋转移扭力和β项的缺失由体系的拓扑结构和对称性约束所解释。
• 在忽略节点间散射的前提下，该模型支持与局域手征规范对称体系的一致映射。