[论文解读] Theory of Moire Magnets and Topological Magnons: Applications to Twisted Bilayer CrI3

Kyoung-Min Kim, Do Hoon Kiem+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2022

Magnetic properties of thin films被引用 4

一句话总结

本文构建了扭曲双层CrI3的全面晶格理论，揭示了莫尔超晶格中层间耦合的竞争驱动自旋序从共线相到非共线磁序及磁结构域相的相变。通过从第一性原理导出的自旋模型与蒙特卡罗模拟，该研究识别出拓扑磁振子——如高阶拓扑磁子绝缘体和沿结构域壁的一维边缘模式——而无需依赖Dzyaloshinskii–Moriya相互作用或非共线自旋结构。

ABSTRACT

We develop a comprehensive theory of twisted bilayer magnetism. Starting from the first-principles calculations of two-dimensional honeycomb magnet CrI3, we construct the generic spin models that represent a broad class of twisted bilayer magnetic systems. Using Monte-Carlo method, we discover a variety of non-collinear magnetic orders and topological magnons that have been overlooked in the previous theoretical and experimental studies. As a function of the twist angle, the collinear magnetic order undergoes the phase transitions to the non-collinear order and the magnetic domain phase. In the magnetic domain phase, we find that the spatially varying interlayer coupling produces the magnetic skyrmions even in the absence of the Dzyaloshinskii-Moriya interactions. In addition, we describe the critical phenomena of the magnetic phase transitions by constructing the field theoretical model of the moire magnet. Our continuum model well-explains the nature of the phase transitions observed in the numerical simulations. Finally, we classify the topological properties of the magnon excitations. The magnons in each phases are characterized by the distinct mass gaps with different physical origins. In the collinear ferromagnetic order, the higher-order topological magnonic insulator phase occurs. It serves as a unique example of the higher-order topological phase in magnonic system, since it does not require non-collinear order or asymmetric form of the interactions. In the magnetic domain phases, the magnons are localized along the domain wall and form one-dimensional topological edge mode. As the closed domain walls deform to a open network, the confined edge mode extends to form a network model of the topological magnons.

研究动机与目标

• 为扭曲双层CrI3构建一个基于第一性原理的自旋模型，全面考虑层间自旋相互作用与晶格结构。
• 解释在无Dzyaloshinskii–Moriya相互作用条件下，非共线磁序与磁结构域相的出现机制，尤其在扭曲双层磁体中的表现。
• 利用对称性与能带理论对不同磁相中的拓扑磁振子激发进行分类。
• 提供一个适用于其他具有可调扭曲角与多样化自旋相互作用的二维磁性材料的一般理论框架。

提出的方法

• 从单层CrI3的第一性原理计算出发，构建一个通用自旋哈密顿量，整合层内与层间自旋相互作用。
• 在完整晶格模型上执行大规模蒙特卡罗模拟，探索不同扭曲角下的基态行为。
• 推导连续场论以描述莫尔磁体系统中的临界现象与相变行为。
• 应用Holstein-Primakoff变换将自旋哈密顿量映射为Bogoliubov-de Gennes（BdG）哈密顿量，以分析磁振子激发。
• 采用BdG哈密顿量的paraunitary对角化方法对磁振子能带进行分类，同时考虑玻色统计对易关系。
• 通过群论分析（包括$\mathcal{P}\mathcal{T}$、$U(1)_{c}$与$U(1)_{v}$对称性）确定拓扑不变量并分类磁振子能带结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在双层CrI3中，扭曲角如何驱动从共线相到非共线相与磁结构域相的相变？
• RQ2 空间调制的层间耦合在无Dzyaloshinskii–Moriya相互作用条件下，如何稳定磁旋拓扑结构？
• RQ3 不同磁相中磁振子激发的拓扑特性为何？其起源与分类方式有何差异？
• RQ4 共线相中磁振子的拓扑不变量与结构域壁相中的有何不同？
• RQ5 连续场论模型能否准确描述莫尔磁体中磁相变的临界行为？

主要发现

• 随着扭曲角减小，扭曲双层CrI3中的共线铁磁相转变为非共线磁序与磁结构域相，其驱动力为层间铁磁与反铁磁耦合的竞争。
• 在磁结构域相中，即使无Dzyaloshinskii–Moriya相互作用，空间调制的层间耦合仍可导致磁旋拓扑结构的形成。
• 在共线相中，系统实现了一类高阶拓扑磁子绝缘体相，具有体态磁振子能隙，其拓扑保护源于对称性，无需非共线自旋序。
• 在磁结构域相中，磁振子形成局域于结构域壁上的一维拓扑边缘模式，其能谱色散关系与拓扑保护一致。
• 当结构域壁形变为开放网络时，边缘模式扩展为磁振子的拓扑网络，形成稳定的准一维磁子通道。
• 场论连续模型准确捕捉了蒙特卡罗模拟中观察到的相变临界行为，验证了相变行为的普适性。