中科院物理所方辰等：反铁磁体中狄拉克型、线节点型磁激发研究获进展

【成果简介】

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心理论室副研究员方辰、研究员胡江平、厉康康（原物理所博士研究生）与北京大学物理学院国际量子材料中心副研究员李源、本科生黎晨远合作，共同在理论上发现了两类在反铁磁体中存在的拓扑磁激发，并用计算手段预言了它们可以在Cu₃TeO₆中观测到。

【图文导读】

图1 能带结构

（a）沿着高对称线的自旋波频散的典型能带结构

（b）所有狄拉克点在第一个布里渊区的位置

图2 基态配置

（a）经典的基态配置

（b）投射在（111）平面上的相同配置

【研究内容】

拓扑能带理论在电子体系中首先被提出并应用，它帮助研究者在理论和实验上发现了反常量子霍尔效应态、拓扑绝缘体、拓扑半金属等新奇物态，是近十年来凝聚态理论的核心研究课题之一。Haldane等物理学家认为，拓扑能带理论可以推广到任何有能带的晶格体系，而不局限于电子系统。这些“能带”可以是玻色子的激发模式构成，包括光子晶体中的光子、固体中的光学支声子、金属中作为集体激发模式的等离激元等。

在该研究中，研究人员首先在理论上预言了在一大类共线反铁磁体中可以存在一类新的具有拓扑性质的磁激发，称之为狄拉克型磁激发。在此类反铁磁体中的自旋波激发构成一条条能带，而这些能带在三维磁布里渊区中是可以相交的。此类交点是一类被共线反铁磁基态的沿着排列方向的自旋旋转对称性（简称“自旋对称性”）和时间反演-空间反演联合操作下的不变性（简称“时空对称性”）保护的新型狄拉克点，且该狄拉克点不同于之前在电子系统中研究的狄拉克点。前者可以出现在布里渊区的任意位置，而后者只能出现在高对称点或者高对称线上。

研究人员注意到，当考虑实际系统中自旋相互作用对理想海森堡模型的修正时，Dyaloshinsky-Moriya相互作用（DMI）会引入非共线的微扰。在这一微扰下，自旋对称性被破坏，而时空对称性依旧保持。同时，每个狄拉克点会“分裂”成一条“线节点”（即两条自旋波能带在某条线上有着相同的激发能量）。这类线节点拥有电子系统中尚未发现的某种新的Z2拓扑数，称之为拓扑线节点。

为了将该理论与实验和实际材料相结合，研究人员预言在一种反铁磁体（Cu₃TeO₆）中将可以观测到上述新型拓扑能带交点。首先，他们用海森堡J₁-J₂模型预言了狄拉克点的位置，随之将DMI作为围绕引入狄拉克点附近的有效理论，证实了线节点的存在，并证明线节点的长度正比于DMI的平方。

相关研究成果发表在“物理评论快报”上。该研究得到了国家自然科学基金、滚球体育 部重点研发计划、中科院战略性先导滚球体育 专项等的资助。

原文链接：http://www.cas.cn/syky/201712/t20171226_4628079.shtml

文献链接：Dirac and Nodal Line Magnons in Three-Dimensional Antiferromagnets（Phy.Rev.Lett.,2017,DOI:10.1103/PhysRevLett.119.247202）

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