Spin and Thermal Hall Effects in the Strongly Correlated Kane-Mele-Hubbard Model

Abstract

Vi studerer egenskapene til en utvidet Kane-Mele-Hubbard-modell på honeycombgitteret når Dzyaloshinskii-Moriya-vekselvirkninger for nest nærmeste naboer er rettet ut av planet. Ved hjelp av middelfeltteorien for Schwingerbosoner konstruerer vi kvalitative fasediagrammer og finner to magnetisk ordnede faser og en kvantespinnvæskefase i grunntilstanden til modellen. Kvantespinnvæskefasen viser seg å ha betydelige abelske Berry-kurvaturer i nærvær av et magnetisk felt, og utviser både spinn-Nernst-effekten og den termiske Hall-effekten selv om båndene har Chern-tall lik null. Dzyaloshinskii-Moriya-vekselvirkningene viser seg å åpne delvise båndgap i de magnetisk ordnede fasene i middelfeltansatzen som benyttes, noe som fører til udefinerte Berry-kurvaturer på grunn av de omfattende båndoverlappingene i den første Brillouin-sonen. De dynamiske egenskapene til kvantespinnvæskefasen endres ikke av Dzyaloshinskii-Moriya-vekselvirkningene, som betyr at de ikke påvirker transportegenskapene. Sterke Dzyaloshinskii-Moriya-vekselvirkninger viser seg likevel å forstørre kvantespinnvæskeområdet i fasediagrammet, som gjør det stabilt for sterkere vekselvirkninger mellom nest nærmeste naboer.

We study the properties of an extended Kane-Mele-Hubbard model on the honeycomb lattice when next nearest neighbor out-of-plane Dzyaloshinskii-Moriya interactions are taken into account. Using Schwinger boson mean field theory, we construct qualitative phase diagrams and find two magnetically ordered phases and a quantum spin liquid phase in the ground state of the model. The quantum spin liquid phase is found to have significant Abelian Berry curvatures in the presence of a magnetic field, and displays both the spin Nernst effect and the thermal Hall effect even though its bands have zero Chern numbers. Dzyaloshinskii-Moriya interactions are found to open partial band gaps in the magnetically ordered phases in the mean field Ansatz employed, leading to ill-defined Berry curvatures due to the extensive band overlaps in the first Brillouin zone. The dynamical properties of the quantum spin liquid phase are unchanged by Dzyaloshinskii-Moriya interactions, which means they do not influence the transport properties. Strong Dzyaloshinskii-Moriya interactions are found to enlarge the quantum spin liquid region of the phase diagram, however, making it stable for stronger next nearest neighbor interactions.