[论文解读] Topical Review on Skyrmions and Hall Transport

Bom Soo Kim|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 111被引用 6

一句话总结

本文通过量子场论的Ward恒等式，提出了一套理论框架，将Skyrmion的霍尔输运与霍尔粘度联系起来，揭示了在宇称破缺系统中存在一种新的反对称粘度分量。研究证明，通过测量动量依赖的霍尔电导率，或利用旋转圆筒装置在绝缘Skyrmion系统中诱导自旋不平衡，可实现对霍尔粘度的实验探测。

ABSTRACT

We review recent progresses towards an understanding of the Skyrmion Hall transport in insulating as well as conducting materials. First, we consider a theoretical breakthrough based on the quantum field theory Ward identity, a first principle analysis, relying on symmetries and conservation laws. Broken parity (inversion) symmetry plays a crucial role in Skyrmion Hall transport. In addition to the well known thermal and electric Hall conductivities, our analysis has led us to the discovery of a new and unforeseen physical quantity, Hall viscosity - an anti-symmetric part of the viscosity tensor. We propose a simple way to confirm the existence of Hall viscosity in the measurements of Hall conductivity as a function of momentum. We provide various background materials to assist the readers to understand the quantum field theory Ward identity. In the second part, we review recent theoretical and experimental advancements of the Skyrmion Hall effects and the topological (Magnon) Hall effects for conducting (insulting) magnets. For this purpose, we consider two enveloping themes: spin torque and thermo-electromagnetic effect. First, we overview various spin torques, such as spin transfer torque, spin-orbit torque, and spin Hall torque, and generalized Landau-Lifshitz-Gilbert equations and Thiele equations using a phenomenological approach. Second, we consider irreversible thermodynamics to survey possible thermo-electromagnetic effects, such as Seebeck, Peltier and Thompson effects in the presence of the electric currents, along with the Hall effects in the presence of a background magnetic field. Recently developed spin Seebeck effects are also a significant part of the survey. We also accommodate extensive background materials to make this review self-contained. Finally, we revisit the Skyrmion Hall transport from the Ward identity view point.

研究动机与目标

• 通过量子场论Ward恒等式，为Skyrmion霍尔输运建立第一性原理的理论基础。
• 将霍尔粘度识别为宇称和时间反演对称性破缺系统中粘度张量的新反对称分量。
• 提出可在绝缘和导电Skyrmion材料中实验验证的霍尔粘度探测方法。
• 在统一的理论框架下整合自旋扭矩与热电磁效应，用于描述Skyrmion动力学。
• 提供一个自洽的综述，整合流体力学、拓扑场论与Skyrmion系统中的实验输运现象。

提出的方法

• 应用量子场论Ward恒等式，推导宇称和提升对称性破缺的2+1维系统中的守恒律与输运系数。
• 利用能量-动量张量与角动量流，推导霍尔粘度作为对称代数的中心扩张。
• 采用Kubo公式，将霍尔粘度与线性响应函数及动量依赖的霍尔电导率关联。
• 提出广义的Landau-Lifshitz-Gilbert与Thiele方程，描述在自旋扭矩（STT、SOT、SHT）作用下的Skyrmion动力学。
• 结合不可逆热力学，建立包含塞贝克、帕尔贴与汤姆孙效应的模型，引入自旋自由度。
• 提出一种新颖的实验装置：通过旋转圆筒诱导径向Skyrmion运动，利用Pt盖层中的逆自旋霍尔效应实现探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇称破缺系统中，Ward恒等式如何导致霍尔粘度作为输运系数的出现？
• RQ2 霍尔粘度与绝缘与导电材料中Skyrmion霍尔效应之间的关系是什么？
• RQ3 是否可通过Skyrmion系统中动量依赖的霍尔电导率实验测量霍尔粘度？
• RQ4 在存在霍尔粘度的情况下，自旋扭矩（STT、SOT、SHT）与自旋波相互作用如何影响Skyrmion输运？
• RQ5 是否可通过基底的机械旋转，在无电流传导或热梯度的条件下探测霍尔粘度？

主要发现

• 霍尔粘度作为宇称破缺系统中粘度张量的基本反对称分量出现，其来源于Ward恒等式与对称代数。
• 提出一种新实验方法：通过旋转圆筒诱导径向Skyrmion运动，利用Pt层中的逆自旋霍尔效应实现霍尔粘度探测。
• 在绝缘Skyrmion系统中，通过测量霍尔电导率随动量的变化，可直接探测霍尔粘度，提供明确信号。
• 理论分析证实，霍尔粘度与Skyrmion系统中的拓扑荷及角动量相关，且与量子霍尔效应存在联系。
• 在低钉扎系统（如Pt/CoFeB/MgO）中，Skyrmion运动受马格努斯力保护，不受杂质影响，使其成为霍尔粘度实验的理想候选材料。
• 研究表明，自旋塞贝克与帕尔贴效应在自旋波介导输运中具有重要意义，且可在非平衡条件下通过自旋不平衡探测霍尔粘度。