Topological Magnon-Phonon Hybrid Excitations and Hall Effects in Two-Dimensional Ferromagnets

Abstract

Mye forskning har hatt til hensikt å undersøke vekselvirkningene mellom magnoner og fononer, som utgjør fundamentale eksitasjoner i magnetisk ordnede materialer. Forskningsfunnene tyder på at disse vekselvirkningene kan danne magnon-polaroner, som i sin tur kan påvirke systemets topologi og føre til interessante transportfenomener. I denne studien er fokuset rettet mot undersøkelsen av magnoner, fononer og deres samspill i et todimensjonalt ferromagnetisk honeycombgitter. En grundig topologisk analyse av de interagerende båndene utføres med varierende magnetiseringsretninger tatt i betraktning. Vekselvirkningene har ulike kilder, inkludert magnetisk anisotropi og den planære Dzyaloshinskii-Moriya-vekselvirkningen, der sistnevnte oppstår som følge av symmetribrytelse av 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 til uvikling av Berry-kurvatur ved unngåtte kryssinger mellom magnon- og fononbånd, som resulterer i 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 de magnon-fonon vekselvirkningene som oppstår fra anisotropi og den planære Dzyaloshinskii-Moriyavekselvirkningen for nærmeste naboer til en forsvinnende Berry-kurvatur. Imidlertid induserer den planære Dzyaloshinskii-Moriya-vekselvirkningen for nest nærmeste naboer Berry-kurvatur ved områder med antikryssinger. I dette tilfelle påvirkes transportegenskapene av magnetiseringsretningen i gitterplanet. Spesielt observeres en ikke-null konduktivitet i x-retningen, mens y-retningen viser en forsvinnende konduktivitet på grunn av en balansert fordeling av Berry-kurvatur, noe som resulterer i topologisk trivielle magnon-polaronbånd. Til forskjell observeres en ikke-null spinn-Nernst-koeffisient i alle undersøkte magnetiseringsretninger.

The interactions between magnons and phonons, which are fundamental excitations in magnetically ordered 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 intriguing transport phenomena. In this study, our focus is on examining magnons, phonons, and their interactions in a two-dimensional ferromagnetic honeycomb layer. A comprehensive topological analysis 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 notable effects on the system’s topology when the magnetization is perpendicular to the lattice plane and the initial magnon bands possess nontrivial topology. Specifically, the interactions induce Berry curvature at the avoided crossings between magnon and phonon bands, leading to a weak renormalization of the thermal 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 interactions arising 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 within the plane. Particularly, a nonzero conductivity is observed in the x-direction, while the y-direction exhibits a vanishing conductivity due to the balanced distribution of Berry curvature, resulting in topologically trivial magnon-polaron bands. In contrast, a nonzero spin Nernst coefficient is observed in all magnetization directions examined