Topological Magnon-Phonon Hybrid Excitations and Hall Effects in Two-Dimensional Ferromagnets
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3097131Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for fysikk [2798]
Sammendrag
Mye forskning har hatt til hensikt å undersøke vekselvirkningene mellom magnoner og fononer, somutgjør fundamentale eksitasjoner i magnetisk ordnede materialer. Forskningsfunnene tyder på atdisse vekselvirkningene kan danne magnon-polaroner, som i sin tur kan påvirke systemets topologiog føre til interessante transportfenomener. I denne studien er fokuset rettet mot undersøkelsenav magnoner, fononer og deres samspill i et todimensjonalt ferromagnetisk honeycombgitter. Engrundig topologisk analyse av de interagerende båndene utføres med varierende magnetiseringsretninger tatt i betraktning. Vekselvirkningene har ulike kilder, inkludert magnetisk anisotropi og denplanære Dzyaloshinskii-Moriya-vekselvirkningen, der sistnevnte oppstår som følge av symmetribrytelseav speilrefleksjonssymmetri.
Resultatene av denne studien avdekker at vekselvirkningene mellom magnoner og fononer har betydelige effekter på systemets topologi når magnetiseringen står vinkelrett på gitterplanet og de opprinnelige magnonbåndene har en ikke-triviell topologi. Spesifikt fører disse vekselvirkningene tiluvikling av Berry-kurvatur ved unngåtte kryssinger mellom magnon- og fononbånd, som resultereri en svak endring av den termiske Hall-konduktiviteten og spinn-Nernst-koeffisienten. Når magnetiseringen derimot ligger i gitterplanet og de opprinnelige båndene har en triviell topologi, fører demagnon-fonon vekselvirkningene som oppstår fra anisotropi og den planære Dzyaloshinskii-Moriyavekselvirkningen for nærmeste naboer til en forsvinnende Berry-kurvatur. Imidlertid induserer denplanære Dzyaloshinskii-Moriya-vekselvirkningen for nest nærmeste naboer Berry-kurvatur ved områder med antikryssinger. I dette tilfelle påvirkes transportegenskapene av magnetiseringsretningen igitterplanet. Spesielt observeres en ikke-null konduktivitet i x-retningen, mens y-retningen viser enforsvinnende konduktivitet på grunn av en balansert fordeling av Berry-kurvatur, noe som resulterer itopologisk trivielle magnon-polaronbånd. Til forskjell observeres en ikke-null spinn-Nernst-koeffisienti alle undersøkte magnetiseringsretninger. The interactions between magnons and phonons, which are fundamental excitations in magneticallyordered materials, have been the subject of intense investigation. It has been found that these interactions can give rise to magnon-polarons that can modify the system’s topology, leading to intriguingtransport phenomena. In this study, our focus is on examining magnons, phonons, and their interactions in a two-dimensional ferromagnetic honeycomb layer. A comprehensive topologicalanalysis of the interacting bands is conducted, considering various magnetization directions. The interactions stem from different sources, including magnetic anisotropy and the in-plane DzyaloshinskiiMoriya interaction (DMI), with the latter arising from mirror symmetry breaking.
The findings of this study reveal that the interactions between magnons and phonons have notableeffects on the system’s topology when the magnetization is perpendicular to the lattice plane and theinitial magnon bands possess nontrivial topology. Specifically, the interactions induce Berry curvatureat the avoided crossings between magnon and phonon bands, leading to a weak renormalization of thethermal Hall conductivity and the spin Nernst coefficient. On the other hand, when the magnetization lies in the plane and the initial bands are topologically trivial, the magnon-phonon interactionsarising from anisotropy and in-plane nearest neighbour DMI result in a vanishing Berry curvature.However, the in-plane next-nearest neighbour DMI induces Berry curvature at the anticrossing regions. In this scenario, the transport properties are influenced by the magnetization direction withinthe plane. Particularly, a nonzero conductivity is observed in the x-direction, while the y-directionexhibits a vanishing conductivity due to the balanced distribution of Berry curvature, resulting intopologically trivial magnon-polaron bands. In contrast, a nonzero spin Nernst coefficient is observedin all magnetization directions examined