Thermal Hall effects of honeycomb insulating magnets = 벌집 격자 자성 절연체에서의 열홀효과|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

After the profound discovery of the topological concepts underlying condensed matter physics, the Berry curvature has been regarded as essential for understanding various experimental results. For instance, in an electronic system, non-zero Berry curvature can produce an additional velocity perpendicular to the external force exerted on quasiparticles, called an anomalous velocity. Many Hall-effect-type transport properties, such as the quantized Hall effect or spin Hall effect, have been explained or are expected as a result of the topological-related physics. Indeed, numerous studies have been actively developing their potential applications to spintronics.
Theoretically, the above-mentioned Berry curvature concept can also be applied to other systems, even those consisting of charge-neutral excitations. The thermal Hall effect has been suggested as one of the promising ways to detect such charge-neutral transverse currents driven by anomalous velocity. Magnons or phonons can be considered as the primary source whilst fractionalized excitations arising from the quantum spin liquid phase are also expected to exhibit the thermal Hall effect.
Accordingly, for the past two decades, extensive thermal Hall measurements have been performed on various material groups, including quantum spin liquid candidates. However, understanding the experimental data has been challenging in most cases due to the complicated properties of the target systems. For some materials, conflicting arguments remain, and a consensus has been yet unavailable for several years. This makes it necessary to consider simpler systems for comparison with current theories.
For this purpose, I conducted thermal transport measurements on three different honeycomb insulating magnets, which have been well-studied both theoretically and experimentally. The first section will introduce the results of Na2Co2TeO6, a new quantum spin liquid candidate material based on the Kitaev model. The other two sections address Cr2Ge2Te6 and MnPS3, which are a ferromagnet and antiferromagnet, respectively. Each section provides the Berry curvature-driven thermal Hall conductivity obtained from linear spin-wave theory. The significance of spin-phonon coupling and the limitations of the noninteracting model Hamiltonian are discussed by comparing the calculation results with experimental data.

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국문 초록 (Abstract)

응집 물질 물리학 분야에서 위상학적 개념이 발견된 이후, 베리 곡률은 다양한 실험 결과를 이해하는 데 필수적인 요소 중 하나로 여겨져 왔습니다. 예를 들어, 전자 시스템에서 0이 아닌 베리 곡률은 준입자에 가해지는 외부 힘에 수직인 추가 속도를 생성할 수 있는데, 이를 변칙 속도라고 합니다. 양자화된 홀효과 또는 스핀 홀효과와 같은 많은 홀효과 유형의 수송 특성이
위상 관련 물리학의 결과로 설명되었거나 예측되었습니다. 실제로 스핀트로닉스 분야에 적용하기 위한 수많은 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
이론적으로는, 위에서 언급한 베리 곡률 개념을 전기적으로 중성인 들뜸으로 구성된 시스템에도 적용할 수 있습니다. 따라서, 이러한 전기적으로 중성인 수직 속도 성분을 감지하는 방법 중 하나로 열홀효과가 제안되었습니다. 마그논 또는 포논이 열홀효과의 주된 요인으로 고려될 수 있으며, 양자 스핀 액상에서 발생하는 분할된 들뜸 또한 열 홀 효과를 나타낼 것으로 예측되어집니다.
이에 따라 지난 20년 동안 양자 스핀 액체 후보를 포함한 광범위한 물질군에 대해 열홀효과 측정이 수행되었습니다. 그러나 대부분의 경우, 대상 시스템의 복잡한 특성으로 인해 실험 데이터를 이해하는 것이 어려웠습니다. 심지어 일부 물질의 경우 상반된 주장이 여전히 존재하며 몇 년 동안 합의점을 찾지 못하고 있습니다. 따라서 현재 이루어지고 있는 이론적 논의와 실험 결과를 자세히 비교하기 위해 더 간단한 시스템을 고려할 필요가 있습니다.
이를 위해 이론적으로나 실험적으로 잘 연구된 세 가지 벌집 절연 자석에 대해 열전달 측정을 수행했습니다. 첫 번째 파트에서는 키타에프 모델에 기반한 새로운 양자 스핀 액체 후보 물질인 Na2Co2TeO6의 열홀효과 실험결과를 소개합니다. 나머지 두 파트에서는 각각 강자성체와 반강자성체인 Cr2Ge2Te6와 MnPS3를 다룹니다. 각 파트에서는 선형 스핀파 이론을
적용하여 얻은 베리 곡률에 의한 열홀 전도도 계산결과를 제공합니다. 계산 결과와 실험 데이터를 비교하며, 열홀효과 데이터 분석에 있어서 스핀-포논 결합의 중요성과 다체 상호작용을 고려하지 않은 모델 해밀토니안의 한계를 논의합니다.

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응집 물질 물리학 분야에서 위상학적 개념이 발견된 이후, 베리 곡률은 다양한 실험 결과를 이해하는 데 필수적인 요소 중 하나로 여겨져 왔습니다. 예를 들어, 전자 시스템에서 0이 아닌 베...

목차 (Table of Contents)

Abstract i
List of Tables vii
List of Figures viii
1 Introduction 1

Abstract i
List of Tables vii
List of Figures viii
1 Introduction 1
1.1 Thermal Hall effect in an insulating system 1
1.1.1 Early experimental works 3
1.1.2 Recent studies and controversies 5
1.2 Two-dimensional honeycomb magnet 9
1.3 Outline of thesis 11
2 Theoretical background 14
2.1 Berry curvature and thermal Hall conductivity 14
2.1.1 Berry curvature of a Bloch state 14
2.1.2 Thermal Hall conductivity of bosonic excitations 18
2.2 Numerical calculation of magnon Berry curvature 22
2.2.1 Holstein-Primakoff transformation 23
2.2.2 Linear spin-wave theory 25
2.2.3 Diagonalization 27
2.2.4 Evaluating Berry curvature 28
2.3 Inclusion of magnon-phonon coupling 30
2.3.1 Single-ion magnetostriction 31
2.3.2 Exchange striction 33
2.3.3 Diagonalization of a magnon-phonon coupled Hamiltonian 36
3 Experimental techniques 40
3.1 SrTiO3 thermometer 40
3.1.1 Recipe 41
3.1.2 Advantages and disadvantages 43
3.2 Thermal transport measurement 46
3.2.1 Sample preparation 47
3.2.2 Measurement procedure 50
4 Significant thermal Hall effect in the 3d cobalt Kitaev system Na2Co2TeO6 55
4.1 Introduction 55
4.1.1 Kitaev model and thermal Hall effect 55
4.1.2 New candidate material: Na2Co2TeO6 59
4.2 Experimental results of Na2Co2TeO6 60
4.2.1 Longitudinal thermal conductivity 60
4.2.2 Thermal Hall conductivity 63
4.2.3 Comparison with α-RuCl3 case 64
4.3 Discussion and summary 66
5 Sizable suppression of magnon Hall effect by magnon damping in Cr2Ge2Te6 70
5.1 Introduction 70
5.1.1 Topological magnon in honeycomb ferromagnets 70
5.1.2 Experimental realization in VI3 and limitation 73
5.1.3 Another candidate material: Cr2Ge2Te6 74
5.2 Experimental results for Cr2Ge2Te6 77
5.2.1 Longitudinal thermal conductivity 77
5.2.2 Thermal Hall conductivity 79
5.3 Analysis 81
5.3.1 Two-component decomposition of thermal Hall conductivity 81
5.3.2 Magnon Hall conductivity from linear spin-wave theory 83
5.4 Discussion and summary 85
6 Exchange striction induced thermal Hall effect in van der Waals antiferromagnet MnPS3 88
6.1 Introduction 88
6.1.1 Magnon-phonon coupling in recent thermal Hall data analyses 88
6.1.2 Lack of thermal Hall studies considering exchange striction type of magnon-phonon coupling 90
6.1.3 Suitable candidate material: MnPS3 91
6.2 Experimental results for MnPS3 93
6.2.1 Longitudinal thermal conductivity 93
6.2.2 Thermal Hall conductivity 94
6.3 Analysis 96
6.3.1 Magnetic ground state of MnPS3 under a finite magnetic field 97
6.3.2 Thermal Hall conductivity calculation by considering both single-ion magnetostriction and exchange striction 98
6.3.3 Estimation of phonon contribution to magneto-thermal conductivity 101
6.4 Discussion and summary 105
7 Conclusion and Outlook 108
7.1 Conclusion 108
7.2 Outlook 110
Appendix A: Linear spin-wave theory calculation details for MnPS3 112
A.1 Classical energy minimization for magnetic ground state 112
A.2 Magnon part 114
A.3 Phonon part 115
A.4 Single-ion magnetostriction part 118
A.5 Exchange striction part 123
A.6 Estimating the relative portion of phonon character in magnon-phonon hybridized mode 124
Bibliography 125
Publication lists 146
Abstract in Korean (국문 초록) 148
Acknowledgement (감사의 글) 150

참고문헌 (Reference)

1. Solid State Physics, N. W. Ashcroft and, N. D. Mermin, 1st Edition)Cengage Learning, , 1976

2. Anomalous Hall Effect, A. H. MacDonald and, N. Nagaosa, J. Sinova, N. P. Ong, S. Onoda, 82, 1539, , 2010

3. Magnon Dirac Materials, A. M. Black-Schaffer and, J. Fransson, A. V. Balatsky, 94, 075401, , 2016

4. Transition Metal Compounds, D. I. Khomskii, Cambridge University Press, , 2014

5. Multiferroics of Spin Origin, Y. Tokura, S. Seki and, N. Nagaosa, 77, 076501, , 2014

6. Thermal Conductions in Solids, R. Berman, Clarendon Press, Oxford, , 1976

7. Thermal Hall Effect of Magnons, A. Okamoto, S. Murakami and, 86, 011010, , 2017

8. Ferroelectric Quantum Criticality, J. F. Scott, S. S. Saxena, L. J. Spalek, M. P. M. Dean, S. E. Rowley, G. G. Lonzarich and, R. P. Smith, M. Itoh, 10, 367, , 2014

9. Spin Liquids in Frustrated Magnets, L. Balents, 464, 199, , 2010

10. ColloquiumSpontaneous Magnon Decays, A. L. Chernyshev, M. E. Zhitomirsky and, 85, 219, , 2013