[论文解读] Weyl Magnon

Fei-Ye Li, Yaodong Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2016

Advanced Condensed Matter Physics被引用 2

一句话总结

本文提出在几何阻挫的反铁磁量子自旋系统——特别是呼吸型钙钛矿晶格中，存在外尔磁子（Weyl magnons）——即磁子的拓扑线性能带简并。通过自旋模型，研究证明这些磁子激发具有手性表面态，形成有限能量的弧状结构，并表明外尔点可通过外加磁场在原位调控，为实验操控拓扑磁子学提供了平台。

ABSTRACT

Frustrated quantum magnets not only provide exotic ground states and unusual magnetic structures, but also support unconventional excitations in many cases. Using a physically relevant spin model for a breathing pyrochlore lattice, we discuss the presence of topological linear band crossings of magnons in antiferromagnets. These are the analogs of Weyl fermions in electronic systems, which we dub Weyl magnons. The bulk Weyl magnon implies the presence of chiral magnon surface states forming arcs at finite energy. We argue that such antiferromagnets present a unique example in which Weyl points can be manipulated in situ in the laboratory by applied fields. We discuss their appearance specifically in the breathing pyrochlore lattice, and give some general discussion of conditions to find Weyl magnons and how they may be probed experimentally. Our work may inspire a re-examination of the magnetic excitations in many magnetically ordered systems.

研究动机与目标

• 在几何阻挫的量子磁体，特别是反铁磁体系中，识别拓扑磁子激发。
• 确立外尔磁子作为电子外尔费米子在磁子系统中的类比。
• 证明此类体系中的外尔点可通过外加磁场在实验中实现调控。
• 为在磁性材料中识别和探测外尔磁子提供理论框架。

提出的方法

• 构建适用于呼吸型钙钛矿晶格的物理上合理的自旋哈密顿量，以模拟量子磁相互作用。
• 利用线性自旋波理论分析磁子谱，识别能带简并。
• 识别具有非平庸拓扑性质的线性能带简并，其特征为磁子色散关系中的外尔点。
• 通过有限尺寸体系计算表面态，确认有限能量处存在手性弧。
• 研究外加磁场对外尔点的响应，表明其可在原位实现调控。
• 运用对称性与拓扑论证，分类能带简并的性质及其鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子反铁磁体中，是否存在类似于外尔费米子的拓扑磁子激发？
• RQ2 何种特定晶格与磁结构可支持外尔磁子的出现？
• RQ3 外尔磁子在外来钙钛矿晶格的磁子谱与表面态中如何表现？
• RQ4 此类体系中的外尔点是否可通过外加磁场实现实验调控？
• RQ5 在真实材料中，可通过何种实验信号探测外尔磁子？

主要发现

• 外尔磁子以外尔磁子在呼吸型钙钛矿反铁磁体的磁子谱中作为拓扑线性能带简并出现。
• 这些外尔点具有拓扑保护的鲁棒性，导致手性磁子表面态形成有限能量的弧状结构。
• 表面态在零能处为能隙，但在有限能量处出现，与传统表面模式相区别。
• 外加磁场可原位调节外尔点的位置与数量，实现对拓扑磁子学的动态调控。
• 该体系为在量子磁体中实现与探测外尔磁子提供了真实可行的平台，潜在可通过中子散射或其他光谱技术实现实验探测。