[论文解读] Topological Magnon Insulator in the Frustrated Kagom\'e-Lattice Antiferromagnets

S. A. Owerre|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2016

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1

一句话总结

该论文表明，具有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的几何自旋 frustration Kagomé晶格反铁磁体在其共面非共线基态中表现出平凡的拓扑自旋波能带，尽管DMI在铁磁体中可实现拓扑自旋波。然而，施加垂直于平面的外磁场会诱导出具有非零自旋标量手性的非共面自旋结构，从而在无DMI的情况下实现拓扑自旋波能带，甚至在手征自旋液体相中亦可实现，表明在受挫反铁磁体中实现拓扑自旋波绝缘体的新途径。

ABSTRACT

Topological magnon insulators in insulating Kagome ferromagnets have been extensively studied in a series of papers. It has been established that Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) is the key ingredient to observe a nontrivial topological magnon with edge modes. However, insulating antiferromagnets on the Kagome lattice are frustrated systems considered as a playground for studying quantum spin liquid physics. In these systems the DMI can induce a coplanar but noncollinear magnetic orders with a $\mathbf{q}=0$ propagating wavevector. We show that topological magnon bands are absent in this coplanar spin texture in sharp contrast to collinear ferromagnets with DMI. Hence, geometrically frustrated Kagome antiferromagnets can be deemed topologically trivial. The presence of an out-of-plane magnetic field in these frustrated magnets induces noncoplanar spin textures exhibiting a nonzero spin scalar chirality. We show that the field-induced spin chirality provides topological magnon bands in Kagome antiferromagnets without the need of DMI and survives in the chiral spin liquid phase of frustrated magnets. Possible experimentally material includes iron jarosite KFe$_3$(OH)$_{6}$(SO$_{4}$)$_2$.

研究动机与目标

• 研究在具有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的受挫Kagomé晶格反铁磁体中，拓扑自旋波能带是否能够出现。
• 确定DMI在稳定共面非共线自旋结构中的非平凡拓扑自旋波态中的作用。
• 探索外磁场是否可在无DMI的情况下诱导出拓扑自旋波能带。
• 检验受挫磁体的手征自旋液体相中拓扑自旋波能带的鲁棒性。
• 识别如铁黄钾铁矾等候选材料，以实现磁场诱导的拓扑自旋波绝缘体。

提出的方法

• 分析包含Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）和外磁场的Kagomé晶格反铁磁体自旋哈密顿量。
• 在存在DMI和有限外磁场的条件下，利用线性自旋波理论计算自旋波谱。
• 通过评估自旋标量手性来判断外磁场作用下自旋结构的非共面性质。
• 计算自旋波能带的陈数以确定其拓扑特性。
• 评估不同自旋结构（包括手征自旋液体相）中拓扑自旋波能带的稳定性。
• 通过群对称性和规范结构分析，识别场诱导相中拓扑保护的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 DMI是否足以在具有q=0自旋结构的受挫Kagomé晶格反铁磁体中诱导出拓扑自旋波能带？
• RQ2 为何在这些反铁磁体中，DMI诱导的共面非共线自旋态下拓扑自旋波能带仍不存在？
• RQ3 外加垂直于平面的磁场是否能诱导出具有非零自旋标量手性的非共面自旋结构，从而在无DMI的情况下承载拓扑自旋波能带？
• RQ4 受挫Kagomé反铁磁体的手征自旋液体相中，拓扑自旋波能带是否仍能存在？
• RQ5 在无DMI的情况下，自旋标量手性在实现拓扑自旋波态中起到何种作用？

主要发现

• 尽管存在DMI，具有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的Kagomé晶格反铁磁体在其DMI诱导的共面非共线自旋结构中仍无拓扑自旋波能带。
• 外加垂直于平面的磁场诱导出具有非零自旋标量手性的非共面自旋结构，破坏时间反演对称性。
• 该磁场诱导的自旋手性可在无DMI的情况下实现拓扑自旋波能带，提供了一种实现拓扑自旋波绝缘体的新机制。
• 该拓扑自旋波能带在受挫Kagomé反铁磁体的手征自旋液体相中依然存在。
• 即使无DMI，该系统仍表现出由自旋标量手性保护的鲁棒拓扑自旋波相。
• 铁黄钾铁矾（KFe₃(OH)₆(SO₄)₂）被识别为实现该磁场诱导拓扑自旋波绝缘体的有前途候选材料。