Weyl magnons in breathing pyrochlore antiferromagnets
Fei-Ye Li, Yao-Dong Li, Yong Baek Kim, Leon Balents, Yue Yu, Gang Chen
备注：
To appear in Nature Communications. Update title and abstract. The footnotes are removed due to the editorial policy, but can be found in the early version
Frustrated quantum magnets not only provide exotic ground states and unusual magnetic structures, but also support unconventional excitations in many cases. Using a physically relevant spin model for a breathing pyrochlore lattice, we discuss the presence of topological linear band crossings of magnons in antiferromagnets. These are the analogs of Weyl fermions in electronic systems, which we dub Weyl magnons. The bulk Weyl magnon implies the presence of chiral magnon surface states forming arcs at finite energy. We argue that such antiferromagnets present a unique example in which Weyl points can be manipulated in situ in the laboratory by applied fields. We discuss their appearance specifically in the breathing pyrochlore lattice, and give some general discussion of conditions to find Weyl magnons and how they may be probed experimentally. Our work may inspire a re-examination of the magnetic excitations in many magnetically ordered systems.
Hierarchical excitations from correlated spin tetrahedra on the breathing pyrochlore lattice
物理系统中的耦合强度的层次结构通常在低能量下产生有效的模型，其中解耦的高能量模式被集成出来。在这里，使用中子散射，我们表明，在呼吸烧绿石晶格化合物CuInCr $_4$ S $_8$的自旋激发是分层的，可以近似的相关四面体在低能量的有效模型。在较高的能量，四面体内的激发与强磁振子-声子耦合一起观察，这表明晶格自由度在稳定自旋四面体的可能作用。我们的工作说明了自旋动力学在CuInCr $_4$ S $_8$，并演示了一个通用的有效集群的方法来理解呼吸型晶格上的动力学。
Magnetic Transitions under Ultrahigh Magnetic Fields of up to 130 T in the Breathing Pyrochlore Antiferromagnet LiInCr4O8
利用脉冲磁场研究了自旋为3/2的反铁磁体LiInCr 4 O 8在高达130 T的交变磁场下的磁化过程.在90 T ~ 130 T范围内，LiInCr_4 O_8具有较强的自旋-晶格耦合，与传统的铬尖晶石氧化物相似. LiGa 0.125 In 0.875 Cr 4 O 8的磁化强度在低温下的结构和磁转变被完全抑制，在13 T以上突然增加，表明在四聚体单重基态和总自旋为1的激发态之间存在2.2 meV的自旋间隙，后者通过施加磁场而稳定。呼吸烧绿石反铁磁体是一个独特的阻挫系统，具有很强的自旋-晶格耦合和键的交替。
Breathing chromium spinels: a showcase for a variety of pyrochlore Heisenberg Hamiltonians
我们解决了长期存在的问题，丰富多样的现象，在铬呼吸烧绿石材料家族的微观起源。结合电子结构和重整化群技术，我们解决了磁相互作用和分析其倒易空间磁化率。我们表明，这些材料的物理主要是由长程海森堡哈密顿相互作用，迄今未得到赞赏的事实。我们的计算揭示，在这些同构化合物中，硫族元素的选择触发了材料与经典自旋液体的接近，其特征在于不同维度的波矢量的简并流形：LiInCr 4 O 8和LiGaCr 4 O 8的三维简并库仑相，螺旋自旋液体与二维简并为CuInCr4Se 8和一维线简并特征的面，LiInCr4S8、LiGaCr4S8和CuInCr4S8的心立方反铁磁体。我们在铬尖晶石中发现的原型烧绿石行为的令人惊讶的复杂阵列可能会激发掺杂或压力下不同半经典自旋液体之间的过渡路径的研究。
Inelastic Neutron Scattering Study of the Spin Dynamics in the Breathing Pyrochlore System LiGa0.95In0.05Cr4O8
A-网站有序铬酸盐尖晶石LiGa 1-xInxCr 4 O 8主机的网络大小交替自旋3/2铬+四面体被称为“呼吸”烧绿石晶格。对于x=0.05的组合物，在母体x=0材料中观察到的复杂的磁结构有序被Tf=11 K处的单个跃迁所取代，这归因于强自旋-晶格耦合引起的共线π阶。我们在这里提出了一个非弹性中子散射研究的自旋动力学在这种组合物。高于Tf，动态散射函数S（Q，E）是ungapped和准弹性的，类似于未掺杂的LiGaCr 4 O 8。低于Tf，光谱权重之间的分裂广泛的非弹性功能在5.8毫电子伏和朝向弹性线。前一个特征可以归因于反铁磁环内的自旋进动，通过自旋哈密顿量中的有效双二次自旋晶格项提升到有限能量。
Nonlocal drag by topological surface magnons in a pyrochlore ferromagnet
准粒子波函数的非平凡拓扑可以以可观测的表面态的形式表现出来。这在电子系统中已经很好地建立起来，狄拉克和外尔半金属将这些拓扑保护实体的奇异性质带到了前面。磁振子--指的是局部自旋的集体激发--提供了另一个领域，其中许多概念可以实现。在这里，我们报告的烧绿石铁磁体，理论上预测主机等拓扑磁振子的磁热测量。结果表明，在Y $_2$ V $_2$ O $_7$单晶样品上沉积金属层的热电势可以用来测量磁振子霍尔效应。此外，拓扑保护的磁振子表面状态的直接表现形式被观察到-通过这些表面自旋电流施加在相邻金属层的传导电子的界面阻力。
Tetrahedrally ferromagnetic correlations and a glassy-freezing anomaly in the breathing pyrochlore magnet $\mathrm{AgInCr_4S_8}$ with partial $A$-site disorder
Tokyo University of Agriculture and Technology（东京农工大学）；The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo（东京大学固体物理研究所）；Kyoto University（京都大学）
Breathing Pyrochlore Lattice Realized in A-Site Ordered Spinel Oxides LiGaCr4O8 and LiInCr4O8
在两种A位有序尖晶石氧化物LiGaCr 4 O 8和LiInCr 4 O 8中发现了一种独特的阻挫晶格。由于Li+和Ga 3 +/In 3+离子在A位处的大尺寸失配，由携带自旋3/2的Cr 3+离子组成的烧绿石晶格变成小四面体和大四面体的交替阵列，即，“呼吸”烧绿石晶格。我们引入了一个参数，呼吸因子Bf，它量化了烧绿石晶格中的挫折程度：Bf被定义为J '/J，其中J'和J是最近邻的磁相互作用在大，小四面体，分别。具有Bf ~ 0.6的LiGaCr 4 O 8显示出与常规Cr尖晶石氧化物如ZnCr 2 O 4类似的磁化率。与此相反，LiInCr 4 O 8与一个小的Bf ~ 0.1的磁化率表现出自旋带隙的行为，表明接近一个奇特的单重基态。磁长程序发生在13.8和15.9 K的LiGaCr 4 O 8和LiInCr 4 O 8，分别，在这两种情况下可能是由于耦合到结构扭曲。
Magnetic and Structural Properties of A-Site Ordered Chromium Spinel Sulfides: Alternating Antiferromagnetic and Ferromagnetic Interactions in the Breathing Pyrochlore Lattice
Neutron Scattering Studies of the Breathing Pyrochlore Antiferromagnet LiGaCr$_{4}$O$_{8}$
我们报告的尖晶石氧化物LiGaCr $_{4}$ O $_{8}$，其中磁性离子Cr $^{3+}$形成呼吸烧绿石晶格的中子散射测量。我们的实验揭示了在磁有序态中几乎无色散的共振模式和色散的自旋波激发的共存，这可以分别用具有相同交换参数的六角环的量子自旋模型和线性自旋波理论定量描述。与其他铬尖晶石氧化物的比较揭示了所有这些材料的共振能和晶格常数之间的线性关系，这与我们的六方环计算一致。我们的研究结果表明，在铬尖晶石氧化物的自旋共振的统一图片。
Quasiparticle Breakdown and Spin Hamiltonian of the Frustrated Quantum Pyrochlore Yb$_2$Ti$_2$O$_7$ in Magnetic Field
阻挫烧绿石磁体Yb $_2$ Ti $_2$ O $_7$具有磁性有序的显著性质，但在布里渊区的宽区域上没有传播的磁振子。在这里，我们使用非弹性中子散射，以遵循如何频谱的演变，在垂直轴磁场。在高场，我们观察到除了色散的磁振子也是一个两个磁振子连续，它的强度增加后，减少领域和重叠的一个磁振子状态在中间领域导致强重整化的色散关系，和磁振子衰变。利用热容测量，我们发现低场区和高场区是平滑连接的，没有急剧的相变，自旋能隙随场单调增加。通过拟合到一个广泛的数据集，我们重新评估的自旋哈密顿发现占主导地位的量子交换项，我们建议负责的强烈波动和准粒子击穿效应在低场观察。
研究了均匀电场对呼吸烧绿石晶格三维U（1）自旋液相基态和激发态的影响，这些基态和激发态是由于常规（Maxwell）电场与量子自旋冰材料的涌现电动力学之间的耦合而产生的.这是对Phys. Rev. B 96，125145（2017）中各向同性火辉石研究的扩展，因为晶格反转对称性在呼吸火辉石中被破坏。出射光子表现出双折射，类似于各向同性的情况。然而，该系统具有非零极化，即使在没有外部电场，不同于各向同性烧绿石。我们还发现，一个足够强的电场触发量子相变到新的U（1）量子自旋液体捕获$π$ -通量的出射电场。即使当施加的电场沿着在各向同性极限中不显示出相变的方向时，也可以看到这样的转变发生。
Weyl magnons in pyrochlore antiferromagnets with all-in-all-out orders
我们研究了具有全进全出（AIAO）磁序的烧绿石反铁磁体的新型拓扑磁振子带交叉。通过一般对称性分析和自旋波理论，我们证明了具有AIAO有序的烧绿石材料在外加磁场或单轴应变下都可以存在Weyl磁振子。在小磁场下，具有AIAO背景的烧绿石的磁振子带可以呈现两个带相反电荷的Weyl点，这是量子材料中可实现的最少数量的Weyl点，迄今为止还没有实验观测到。我们进一步表明，呼吸pyrophores与AIAO订单可以表现出外尔磁振子单轴应变。这些发现适用于任何烧绿石材料支持AIAO订单，无论形式的相互作用。具体而言，我们表明，外尔磁振子是强大的直接（积极）Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用。由于烧绿石磁体中普遍存在的AIAO有序，包括R $_2$ Ir $_2$ O $_7$，以及实验上可实现的外部应变和磁场，我们的预测为见证量子磁体中的Weyl磁振子提供了有希望的舞台。
Thermal Hall conductivity in the frustrated pyrochlore magnet Tb2Ti2O7
在铁磁体中，自旋激发是研究得很好的磁振子。在受抑的量子磁体中，尽管自旋之间有很大的交换耦合，但长程磁序无法发展。与传统磁体中的磁振子相比，人们对它们的自旋激发知之甚少。他们是流动的还是本地的？在这里，我们表明，热霍尔电导率$κ_{xy}$提供了一个强大的探针的“量子自旋冰”烧绿石Tb $_2$ Ti $_2$ O $_7$的自旋激发。即使材料是透明的，热霍尔响应也很大。霍尔响应产生于自旋激发，具有将它们与磁振子区分开的特定特性。在低温（$T<$ 1 K）下，热导率模仿脏金属的热导率。使用霍尔角，我们构建了一个相位图，显示了如何通过磁场抑制激励。
Intrinsic quantum disorder in Yb2Ti2O7 and the quantum S=1/2 pyrochlore phase diagram
The University of Tennessee, Knoxville（田纳西大学诺克斯维尔分校）；St. Bonaventure University（圣博纳文图尔大学）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；University of Windsor（温莎大学）；National High Magnetic Field Laboratory（国家高磁场实验室）；Florida State University（佛罗里达州立大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
Magnon interactions in the frustrated pyrochlore ferromagnet Yb$_2$Ti$_2$O$_7$
阻挫的稀土烧绿石Yb $_2$ Ti $_2$ O $_7$在磁性材料中是引人注目的：尽管具有铁磁有序的基态，但它表现出宽的、几乎无间隙的连续激发。这一宽广的连续谱与预期中的尖锐的单磁振子激发平滑地连接在一起，并且在高磁场中确实观察到了，这就提出了一个问题：当磁场降低时，这种尖锐的磁振子是如何分解的？本文研究了Yb $_2$ Ti $_2$ O $_7$中的磁振子相互作用，表明它们的加入大大扩展了自旋波理论的范围。首先，我们证明了磁振子相互作用移动了（张开的）铁磁体（SFM）和反铁磁$Γ_5$相之间的相界，使得Yb $_2$ Ti $_2$ O $_7$非常靠近它。这包括对$[111]$和$[1\bar{1}0]$方向的临界场的校正，使它们更接近观察到的实验值，以及解释在低于3 T的$[001]$施加场中出现的与线性自旋波理论的偏离[Thompson等人，物理修订信函119，057203（2017）]。转向低场，尽管实验观察到的加宽程度没有完全再现，但我们发现非线性自旋波理论与单晶样品以及粉末样品上的非弹性中子散射数据之间的大致对应关系[Peçanha-Antonio等人，B，96，214415（2017）]。最后，我们展望了未来的实验和理论工作的影响Yb $_2$钛$_2$ O $_7$和相关材料，突出的重要性接近张开的铁磁$Γ_5$相界和它的潜在作用的内在或外在的解释低场物理的…
