Topological magnons in a collinear altermagnet
本文提出了一种共线交错磁体（collinear altermagnets）的蜂窝晶格模型，该模型在不存在德亚洛申斯基-莫里亚（Dzyaloshinskii-Moriya）相互作用的情况下，容纳了具有手性和拓扑不变量特征的 Weyl 和节点线磁振子（Weyl and nodal-line magnons），并由此产生了诸如磁振子自旋内尔斯特效应（magnon spin Nernst effect）以及可通过爱因斯坦-德哈斯效应（Einstein-de Haas effect）检测到的拓扑诱导微分吉尔曼比（topology-induced differential gyromagnetic ratio）等可观测现象。
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在微观磁世界中，被称为“磁振子”（magnons）的微小自旋波承载着信息与能量。几十年来，科学家们已经了解了这些波在标准磁体甚至反磁体（其中相反的自旋相互抵消）中的行为方式。然而，一类被称为“交错磁体”（altermagnets）的新型磁性材料最近脱颖而出，成为了一个引人入胜的中间地带。这些材料拥有一种独特的内部有序结构，其自旋以特定的交替模式排列，从而抵消了整体磁力，就像标准的反磁体一样；然而，它们仍表现出通常仅属于具有强净磁场的磁体的特性。这种不寻常的结合使得它们能够在不需要复杂的重相对论效应的情况下，实现粒子在不同方向运动时的能级分裂。理解这些波如何在这些材料中运动至关重要，因为这可能为处理信息提供新的途径，其能耗将远低于现有技术，有望彻底改变我们构建计算机和传感器的的方式。
研究人员现在提出了一种理论模型，展示了这些特殊的磁波如何在蜂窝晶格结构（一种类似于鸡丝网状的图案）中变得具有“拓扑性”。在这项研究中，科学家们构建了一个原子间连接略微不均匀的交错磁体模型。通过打破这些连接的对称性，他们发现这些磁波自然地组织成两种截然不同的奇异形式：一种是波在能量景观中的特定点相遇，即所谓的“外尔点”（Weyl points）；另一种则是它们形成连续的接触线。至关重要的是，这一过程不需要一种被称为“德亚洛申斯基-莫里亚相互作用”（Dzyaloshinskii-Moriya interaction）的特定相互作用，这种相互作用通常需要复杂的原子力来产生类似效应。相反，研究人员发现，仅仅通过调节蜂窝图案中原子间键合强度的变化，就足以产生这些复杂的拓扑结构。
研究表明，这些磁波携带一种被称为“手性”（chirality）的属性，这可以被理解为一种“左右手之分”，将它们区分成左手型或右手型。在该模型中，左手型和右手型波沿材料边缘向相反方向传播，创造出一条对杂质或缺陷免疫的单行道，用于能量传输。研究人员计算出，如果加热该材料的一侧，这些手性波将流向另一侧，从而产生可测量的自旋电流。这种现象被称为“磁振子自旋内尔斯特效应”（magnon spin Nernst effect），表明该材料可以作为一个高效的自旋信息泵，纯粹由温差驱动。
此外，团队还探索了这些波如何与材料本身的物理旋转发生相互作用。由于这些波携带角动量，它们的运动会对材料施加微小的机械转矩。研究人员计算了一个特定的比例，描述了材料的磁矩如何响应温度的变化，这种关系可以通过被称为“爱因斯坦-德哈效应对”（Einstein-de Haas effect）的现象被检测到。他们的模拟显示，这种效应会产生一个独特的信号，特别是在最佳温度下，这可以作为证明这些拓扑磁波存在的“指纹”。研究结果表明，通过调节这些材料中的原子键合，科学家可以创造出稳定、高性能的自旋电子器件，这些器件对外部干扰具有鲁棒性，且不依赖于其他系统中存在的沉重的相对论效应。
这项工作还强调，这些理论模型可以在传统固体晶体之外的各种实验设置中进行测试。由于该模型不需要复杂的相对论相互作用，因此可以使用被捕获在光晶格中的超冷原子、通过扫描隧道显微镜观察的表面原子，甚至是专门的电路来进行模拟。这种多功能性意味着这里发现的原理可以在广泛的未来技术中得到验证和利用，为精确操纵自旋电流提供了一条新途径。该研究最终为理解磁性晶格中的对称性破缺如何产生复杂的拓扑行为提供了基础框架，为下一代磁振子器件铺平了道路。
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