中科院物理所方辰等：反鐵磁體中狄拉克型、線節點型磁激發研究獲進展

【成果簡介】

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心理論室副研究員方辰、研究員胡江平、厲康康（原物理所博士研究生）與北京大學物理學院國際量子材料中心副研究員李源、本科生黎晨遠合作，共同在理論上發現了兩類在反鐵磁體中存在的拓撲磁激發，并用計算手段預言了它們可以在Cu₃TeO₆中觀測到。

【圖文導讀】

圖1 能帶結構

（a）沿著高對稱線的自旋波頻散的典型能帶結構

（b）所有狄拉克點在第一個布里淵區的位置

圖2 基態配置

（a）經典的基態配置

（b）投射在（111）平面上的相同配置

【研究內容】

拓撲能帶理論在電子體系中首先被提出并應用，它幫助研究者在理論和實驗上發現了反常量子霍爾效應態、拓撲絕緣體、拓撲半金屬等新奇物態，是近十年來凝聚態理論的核心研究課題之一。Haldane等物理學家認為，拓撲能帶理論可以推廣到任何有能帶的晶格體系，而不局限于電子系統。這些“能帶”可以是玻色子的激發模式構成，包括光子晶體中的光子、固體中的光學支聲子、金屬中作為集體激發模式的等離激元等。

在該研究中，研究人員首先在理論上預言了在一大類共線反鐵磁體中可以存在一類新的具有拓撲性質的磁激發，稱之為狄拉克型磁激發。在此類反鐵磁體中的自旋波激發構成一條條能帶，而這些能帶在三維磁布里淵區中是可以相交的。此類交點是一類被共線反鐵磁基態的沿著排列方向的自旋旋轉對稱性（簡稱“自旋對稱性”）和時間反演-空間反演聯合操作下的不變性（簡稱“時空對稱性”）保護的新型狄拉克點，且該狄拉克點不同于之前在電子系統中研究的狄拉克點。前者可以出現在布里淵區的任意位置，而后者只能出現在高對稱點或者高對稱線上。

研究人員注意到，當考慮實際系統中自旋相互作用對理想海森堡模型的修正時，Dyaloshinsky-Moriya相互作用（DMI）會引入非共線的微擾。在這一微擾下，自旋對稱性被破壞，而時空對稱性依舊保持。同時，每個狄拉克點會“分裂”成一條“線節點”（即兩條自旋波能帶在某條線上有著相同的激發能量）。這類線節點擁有電子系統中尚未發現的某種新的Z2拓撲數，稱之為拓撲線節點。

為了將該理論與實驗和實際材料相結合，研究人員預言在一種反鐵磁體（Cu₃TeO₆）中將可以觀測到上述新型拓撲能帶交點。首先，他們用海森堡J₁-J₂模型預言了狄拉克點的位置，隨之將DMI作為圍繞引入狄拉克點附近的有效理論，證實了線節點的存在，并證明線節點的長度正比于DMI的平方。

相關研究成果發表在“物理評論快報”上。該研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項等的資助。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201712/t20171226_4628079.shtml

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

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