[论文解读] Topological responses from gapped Weyl points in 2D altermagnets

Kirill Parshukov, Raymond Wiedmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2024

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文在二维反铁磁体中识别并分类了对称性保护的外尔点，其中由于反铁磁序导致自旋简并能带分裂，当通过质量项打开能隙时，会形成拓扑非平庸相。该研究展示了量化 $π$-贝里相位，并预测了异常的电子和热霍尔响应，包括磁振子系统中的自旋尼尔效应，且具有不同的拓扑不变量（陈数和自旋陈数）控制着能隙相中的边界态和输运响应。

ABSTRACT

We study the symmetry requirements for topologically protected spin-polarized Weyl points in 2D altermagnets. The topology is characterized by a quantized $π$-Berry phase and the degeneracy is protected by spin-space group symmetries. Gapped phases with finite Chern and/or spin/chirality Chern numbers emerge under different symmetry-breaking mass terms. We investigate the surface and transport properties of these gapped phases using representative electronic tight-binding and magnonic linear spin-wave models. In particular, we calculate the electronic and magnonic Hall currents and discuss implications for experiments.

研究动机与目标

• 对在相同自旋量子数能带交叉的二维反铁磁体中保护外尔点简并的所有自旋壁纸群进行分类。
• 确立时间反演对称性和镜像对称性在无净磁化情况下保护拓扑外尔点的作用。
• 构建实现这些外尔点的电子和磁振子模型，并研究其能隙拓扑相。
• 研究这些能隙相中异常霍尔、自旋霍尔和热霍尔效应等拓扑响应。
• 将对称性破缺的质量项（如应变、光耦合）与具有量化响应的拓扑非平庸态之间的相变联系起来。

提出的方法

• 通过群论和自旋空间群分析，分类所有与反铁磁序相容并能通过自旋壁纸群保护外尔点的群。
• 为 p${}^{\overline{1}}$4${}^{\overline{1}}$m1m 群构建自旋依赖的电子紧束缚哈密顿量，实现四个具有自旋极化能带的对称相关外尔点。
• 为相同对称群中的磁振子构建线性自旋波模型，以研究拓扑磁振子能带结构。
• 通过布里渊区上的贝里曲率积分计算拓扑不变量：陈数 $C$ 和自旋陈数 $C_{\vartheta}$。
• 利用玻色子分布函数和贝里曲率推导热霍尔电导率 $\kappa^{xy}(T)$ 和磁振子自旋尼尔系数 $\alpha^{xy}(T)$ 的表达式。
• 分析在各种质量项（包括由光或基底引起的破坏时间反演对称性的微扰）作用下边界态和输运响应。

(a)

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维反铁磁体中，哪些自旋壁纸群可以保护相同自旋量子数能带之间的外尔点？
• RQ2 反铁磁体中对称性保护的外尔点如何导致量化 $\pi$-贝里相位和非平庸拓扑？
• RQ3 当外尔点被对称性破缺的质量项打开能隙时，会涌现出哪些拓扑相？这些相由何种拓扑不变量表征？
• RQ4 这些反铁磁体中的电子和磁振子系统在能隙相中如何表现出异常霍尔和尼尔响应？
• RQ5 外部扰动（如圆偏振光）是否能诱导这些系统中的拓扑相变和谷特异性响应？

主要发现

• 该论文识别出12种保护二维反铁磁体中外尔点的自旋壁纸群，其非平庸拓扑由量化 $\pi$-贝里相位表征。
• 在电子模型中，具有 $C=2$、$C=1$ 和 $C=0$ 的能隙相表现出不同的边界态构型和量化霍尔响应。
• 对于磁振子，$C=2$ 且 $C_{\vartheta}=0$ 的相拥有两个手性相反的简并边界态，而 $C=0$ 且 $C_{\vartheta}=2$ 的相则支持两对反向传播的边界态。
• 热霍尔电导率 $\kappa^{xy}(T)$ 仅在 $C \neq 0$ 的相中有限，而磁振子自旋尼尔系数 $\alpha^{xy}(T)$ 仅在 $C_{\vartheta} \neq 0$ 时有限，证实了其拓扑响应特性。
• 在平庸相中，$\kappa^{xy}(T)$ 和 $\alpha^{xy}(T)$ 均消失，确认了响应的拓扑起源。
• 在平庸相中，由于对圆偏振光的选择性耦合，系统表现出谷霍尔效应，右旋和左旋圆偏振光分别耦合至具有相反陈数贡献的谷。

Figure 2: (a) Altermagnet phase diagram as a function of the mass terms $m(\mathbf{k})=m_{1}+m_{2}\sin k_{x}+m_{3}\sin k_{y}$ (with $m_{1}>0$ ), which gap out the 2D WPs. (b), (c) Transverse charge and spin conductivity, respectively, of Hamiltonian ( 1 ) as a function of temperature $T$ with the ch