“준강자성체의 스핀-포논 상호 작용에 의한 열 수송 현상”

“Thermal Hall Effect, Spin Nernst Effect, and Spin Density Induced by a Thermal Gradient in Collinear Ferrimagnets from Magnon−Phonon Interaction”

금속에 전기장을 걸면 전기장에 수직 방향으로 전하 및 스핀 각운동량의 수송현상이 나타날 수 있는데, 이런 현상을 전하 홀 효과 (Hall effect) 혹은 스핀 홀 효과라고 부른다. 절연체의 경우는 전하가 없지만 마그논 (magnon), 포논(phonon)과 같은 보존 입자에 의해 열 수송현상이 일어날 수 있다. 특히 온도 기울기 방향의 수직 방향으로 보존입자의 열 및 스핀 각운동량의 수송이 생기는 현상을 열 홀효과 혹은 스핀 네른스트 효과 (spin Nernst effect)라고 부른다. 본 연구에서는 이차원 벌집구조 (honeycomb) 격자를 이루는 준강자성체 (ferrimagnet)에서 마그논-포논 상호 작용에 의한 홀 효과를 규명하였다. 특히 벌집구조 격자의 공간반전 대칭성이 깨졌을 때 존재하는 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 마그논-포논 상호 작용의 근본 원인이 되며, 이로 인해 자기탄성 들뜸 (magneto-elastic excitation)에 큰 베리 곡률이 유도되고, 열 홀 효과 및 스핀 네른스토 효과가 강화될 수 있음을 이론적으로 증명하였다.

We theoretically study the intrinsic thermal Hall and spin Nernst effect in collinear ferrimagnets on a honeycomb lattice with broken inversion symmetry. The broken inversion

symmetry allows in-plane Dzyaloshinskii−Moriya interaction between the nearest neighbors, which does not affect the linear spin wave theory. However, the Dzyaloshinskii−Moriya interaction induces large Berry curvature in the magnetoelastic excitations through the magnon−phonon interaction (MPI) to produce thermal Hall current. Furthermore, the magnetoelastic excitations transport spin, which is inherited from the magnons. Therefore, spin Nernst current accompanies the thermal Hall current. Because the MPI does not conserve the spin, we examine the spatial distribution of spin induced by a thermal gradient in the system having a stripe geometry. We find that spin is accumulated at the edges, reflecting the spin Nernst current. We also find that the total spin of the system and, therefore, the magnetization is changed, because of the thermal gradient and MPI.

Authors: Sungjoon Park (서울대, IBS CCES), Naoto Nagaosa, Bohm-Jung Yang^* (서울대, IBS CCES)

Publication date: 26 February 2020

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.0c00363