[论文解读] Observation of Dirac magnons in a three-dimensional antiferromagnet Cu$_{3}$TeO$_{6}$

Song Bao, Jinghui Wang+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1

一句话总结

本研究通过在高质量单晶上进行非弹性中子散射实验，首次为三维反铁磁体Cu₃TeO₆中的狄拉克磁振子提供了直接实验证据。通过线性自旋波理论并基于主要的J₁相互作用，观测到线性交叉的磁振子能带，证实了Cu₃TeO₆是首个具有三维狄拉克磁振子的材料，为拓扑自旋电子学提供了新平台。

ABSTRACT

Magnonic version of Dirac semimetals, in which, instead of electron bands, magnon bands linearly cross each other at the symmetry-protected points called Dirac points, are a novel topological state of matter that is yet to be discovered experimentally. Here, by measuring the spin excitations (magnons) with inelastic neutron scattering on extremely high-quality single crystals of a three-dimensional antiferromagnet Cu$_{3}$TeO$_{6}$, we provide direct spectroscopic evidence for the presence of Dirac points in this material, consistent with a very recent prediction. Our theoretical calculation shows that the spin excitations can be well described by a linear spin-wave theory based on a dominant nearest-neighbour interaction $J_1$, which reproduces the three-dimensional Dirac band structures observed experimentally. Our work showcases Cu$_{3}$TeO$_{6}$ as the first three-dimensional antiferromagnet supporting Dirac magnons, and provides an entirely new platform for exploring the topological properties in magnetic materials.

研究动机与目标

• 识别并表征三维反铁磁体中的拓扑磁振子激发。
• 确定Cu₃TeO₆的磁振子能带结构中是否存在狄拉克点。
• 验证理论预测在真实材料体系中存在狄拉克磁振子。
• 建立一个用于通过磁振子激发研究磁性材料中拓扑性质的新平台。

提出的方法

• 通过在高质量单晶Cu₃TeO₆上进行非弹性中子散射，探测自旋激发谱。
• 应用线性自旋波理论，采用主导的最近邻交换相互作用J₁来模拟磁振子色散关系。
• 利用理论计算重现观测到的三维狄拉克能带结构。
• 通过分析动量空间中磁振子能带的线性交叉，识别出由对称性保护的狄拉克点。
• 将实验数据与理论预测进行比较，证实狄拉克磁振子的存在。
• 基于Cu₃TeO₆的晶体结构和磁相互作用构建自旋哈密顿量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三维反铁磁体Cu₃TeO₆的磁振子能带结构中是否存在狄拉克点？
• RQ2 观测到的磁振子色散能否由以J₁为主导的线性自旋波理论解释？
• RQ3 根据近期理论工作预测，Cu₃TeO₆的磁振子能带结构是否具有拓扑保护特性？
• RQ4 晶体结构和磁相互作用在稳定该材料中狄拉克磁振子方面起什么作用？
• RQ5 Cu₃TeO₆能否作为一个稳健平台用于研究拓扑自旋电子学？

主要发现

• 通过非弹性中子散射，在Cu₃TeO₆的磁振子能带结构中首次直接观测到狄拉克点的光谱证据。
• 磁振子能带在对称性保护的点处表现出线性交叉，证实了狄拉克磁振子的存在。
• 实验测得的磁振子色散可由以主导最近邻交换相互作用J₁的线性自旋波理论良好描述。
• 基于自旋哈密顿量的理论计算一致重现了观测到的三维狄拉克能带结构。
• 识别出Cu₃TeO₆是首个具有狄拉克磁振子的三维反铁磁体。
• 研究结果确立了Cu₃TeO₆作为探索磁性材料中拓扑性质的新平台。