[论文解读] Topological Aspects of Antiferromagnets

Varga Bonbien, Fengjun Zhuo+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 444被引用 2

一句话总结

本综述探讨了在电子、磁振子和拓扑自旋织构中，反铁磁材料中非平凡拓扑的出现，将异常输运现象（如异常霍尔效应和磁振子霍尔效应）与贝里曲率及拓扑不变量联系起来。它确立了反铁磁体作为拓扑自旋电子学和量子材料的丰富平台，关键贡献包括识别拓扑不变量、分类磁性空间群，以及提出检测拓扑激发态和表面态的新机制。

ABSTRACT

The long fascination antiferromagnetic materials have exerted on the scientific community over about a century has been entirely renewed recently with the discovery of several unexpected phenomena including various classes of anomalous spin and charge Hall effects and unconventional magnonic transport, but also homochiral magnetic entities such as skyrmions. With these breakthroughs, antiferromagnets standout as a rich playground for the investigation of novel topological behaviors, and as promising candidate materials for disruptive low-power microelectronic applications. Remarkably, the newly discovered phenomena are all related to the topology of the magnetic, electronic or magnonic ground state of the antiferromagnets. This review exposes how non-trivial topology emerges at different levels in antiferromagnets and explores the novel mechanisms that have been discovered recently. We also discuss how novel classes of quantum magnets could enrich the currently expanding field of antiferromagnetic spintronics and how spin transport can in turn favor a better understanding of exotic quantum excitations.

研究动机与目标

• 系统地描绘拓扑在反铁磁材料中电子、磁振子和自旋织度自由度中的作用。
• 识别支撑反铁磁体中异常输运的对称性保护拓扑不变量和贝里曲率贡献。
• 探索在几何阻挫反铁磁体中，如自旋on、马约拉纳费米子和任意任何任何子等奇异准粒子的出现。
• 提出实验检测反铁磁体中拓扑表面态和磁性斯kyrmion的策略。
• 通过识别具有强自旋轨道耦合和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的材料和异质结构，弥合理论预测与实验实现之间的鸿沟。

提出的方法

• 应用磁性空间群理论对反铁磁序进行分类，分析其对能带简并和自旋织构的影响。
• 采用贝里曲率形式化方法（阿贝尔与非阿贝尔）推导电子和磁振子系统中的异常输运系数。
• 基于内万原理分析电导率张量，推导反铁磁体中异常霍尔效应和自旋霍尔效应的条件。
• 对一维和二维反铁磁晶格中的拓扑孤子、斯kyrmion和边缘模式进行数值与解析建模。
• 将拓扑分类扩展至磁振子能带，识别磁振子外尔和狄拉克半金属及拓扑绝缘体。
• 利用自旋液体和规范场框架，理论研究kagomé和pyrochlore晶格中量子自旋液体及分数化激发。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性点群和空间群如何决定反铁磁能带结构的拓扑分类？
• RQ2 贝里曲率在反铁磁材料中生成异常霍尔效应和自旋霍尔效应中起什么作用？
• RQ3 反铁磁体中的磁振子系统能否拥有类似于电子拓扑绝缘体的拓扑表面态？
• RQ4 反铁磁斯kyrmion和孤子在何种条件下出现，以及如何进行实验探测？
• RQ5 反铁磁自旋电子学如何被用于探测或诱导关联材料中的拓扑超导性？

主要发现

• 反铁磁体中存在非平凡拓扑相，包括反铁磁拓扑绝缘体和外尔/狄拉克半金属，这些由对称性和贝里曲率分析所预测。
• 反铁磁体中的异常霍尔效应和自旋霍尔效应源于动量空间中非零的贝里曲率，即使在净磁化为零的情况下亦可产生。
• 反铁磁体中的磁振子系统表现出具有鲁棒表面模式的拓扑磁振子能带，包括磁振子霍尔效应和自旋能斯特效应。
• 反铁磁体中的拓扑孤子和斯kyrmion由竞争的交换相互作用和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用稳定，具有电流驱动运动的潜力。
• 几何阻挫的反铁磁体如kagomé和pyrochlore晶格中存在分数化激发，如自旋子和马约拉纳费米子，具有非阿贝尔统计性质。
• 反铁磁体与超导体的临近耦合可能诱导出拓扑超导相，包括马约拉纳铰链模式，为拓扑量子计算提供路径。