[论文解读] Spin interactions and topological magnonics in chromium trihalide CrClBrI

Eliot Heinrich, Xin Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

2D Materials and Applications参考文献 59被引用 2

一句话总结

本文提出了一种用于CrClBrI单层的自旋哈密顿量模型，该材料是一种范德瓦尔斯磁性材料，由于C3对称性破缺而具有键依赖的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）和海森堡相互作用。通过蒙特卡洛模拟和自旋波理论，研究证明该系统支持具有非零陈数的拓扑非平凡自旋波能带，从而产生热霍尔导电的边缘态，其符号随温度和磁场反转，使CrClBrI成为二维非共线磁体中拓扑自旋波输运的候选材料。

ABSTRACT

The discovery of spontaneous magnetism in van der Waal (vdW) magnetic monolayers has opened up an unprecedented platform for investigating magnetism in purely two-dimensional systems. Recently, it has been shown that the magnetic properties of vdW magnets can be easily tuned by adjusting the relative composition of halides. Motivated by these experimental advances, here we derive a model for a trihalide CrClBrI monolayer from symmetry principles and we find that, in contrast to its single-halide counterparts, it can display highly anisotropic nearest- and next-to-nearest neighbor Dzyaloshinskii-Moriya and Heisenberg interactions. Depending on the parameters, the DM interactions are responsible for the formation of exotic chiral spin states, such as skyrmions and spin cycloids, as shown by our Monte Carlo simulations. Focusing on a ground state with a two-sublattice unit cell, we find spin-wave bands with nonvanishing Chern numbers. The resulting magnon edge states yield a magnon thermal Hall conductivity that changes sign as function of temperature and magnetic field, suggesting chromium trihalides as a candidate for testing topological magnon transport in two-dimensional noncollinear spin systems.

研究动机与目标

• 基于对称性构建CrClBrI单层的自旋哈密顿量模型，包含键依赖的交换相互作用。
• 研究在C3对称性破缺的二维非共线自旋系统中拓扑自旋波相的出现。
• 探讨各向异性Dzyaloshinskii-Moriya和海森堡相互作用在稳定奇异手性自旋结构（如自旋旋翼和自旋螺旋）中的作用。
• 证明拓扑保护的自旋波边缘态的存在及其对热霍尔效应的贡献。

提出的方法

• 基于局域对称性和Moriya规则，推导出包含键依赖海森堡和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的自旋哈密顿量。
• 使用与位点和键相关的交换耦合常数Jij和Dij，对最近邻（NN）和次近邻（NNN）自旋相互作用进行建模。
• 通过经典蒙特卡洛模拟，研究在不同相互作用参数下的基态行为。
• 计算自旋波谱并评估陈数，以识别拓扑自旋波能带。
• 利用自旋波理论分析自旋波热霍尔电导率，并评估边缘态的贡献。
• 采用双亚晶格原胞近似，研究非平凡拓扑和边缘态的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 CrClBrI中的键依赖Dzyaloshinskii-Moriya相互作用是否能导致拓扑非平凡的自旋波能带？
• RQ2 各向异性自旋相互作用在稳定如自旋旋翼和自旋螺旋等奇异手性自旋态中的作用是什么？
• RQ3 该系统中自旋波热霍尔电导率如何依赖于温度和磁场？
• RQ4 由于拓扑边缘态的存在，系统是否可能表现出热霍尔电导率的符号反转？
• RQ5 配体组成对非共线自旋序和拓扑自旋波相出现的影响是什么？

主要发现

• 由于混合卤化物引起的C3对称性破缺，CrClBrI单层表现出高度各向异性的最近邻和次近邻Dzyaloshinskii-Moriya及海森堡相互作用。
• 蒙特卡洛模拟证实，根据相互作用参数的不同，系统可形成奇异的手性自旋态，包括自旋旋翼和自旋螺旋。
• 双亚晶格基态中的自旋波能带表现出非零陈数，表明存在拓扑自旋波相。
• 拓扑自旋波边缘态出现并贡献于热霍尔电导率，其符号随温度和磁场反转。
• 该系统表现出可调的拓扑自旋波输运响应，使其成为二维拓扑自旋波学的有前途平台。
• 该模型预测，即使在缺乏本征自旋轨道耦合的情况下，CrClBrI仍可通过键依赖的DM相互作用实现非平凡拓扑和边缘态。