由天拓磁性天旋星和反铁磁天旋星引起的拓扑轨道霍尔效应

Core Concepts

天旋星和反铁磁天旋星会引起拓扑轨道霍尔效应,即使导电电子只与天旋星纹理耦合的自旋,也会产生轨道极化的电流。反铁磁天旋星的拓扑霍尔效应被补偿,但仍会产生纯粹的拓扑轨道霍尔效应,其大小可以远大于拓扑自旋霍尔效应。

Abstract

本文研究了天旋星和反铁磁天旋星对电子输运的影响。

首先,作者分析了天旋星纹理对导电电子能带结构的影响。随着洪德耦合强度的增加,电子自旋会与天旋星纹理对齐,导致能带分裂为两个块,一个对应平行自旋,一个对应反平行自旋。这两个块不仅具有不同的自旋极化,而且还具有不同的轨道角动量极化。

接下来,作者计算了这些系统的拓扑霍尔效应、拓扑自旋霍尔效应和拓扑轨道霍尔效应。对于常规天旋星,这三种效应都存在,且电流同时具有自旋和轨道极化。而对于反铁磁天旋星,拓扑霍尔效应被补偿,但仍保留了纯粹的拓扑轨道霍尔效应,其大小可以远大于拓扑自旋霍尔效应。这是因为轨道角动量可以取任意大的值,而自旋角动量只能取±ℏ/2。

作者还分析了这些系统的边缘态,发现它们也具有轨道和自旋极化。在强洪德耦合极限下,边缘态形成跳跃轨道,导致轨道电流的产生。

总之,本文揭示了天旋星和反铁磁天旋星中拓扑轨道霍尔效应的产生机制,为利用轨道角动量进行信息传输和产生轨道扭矩提供了新思路。

Stats

天旋星的拓扑电荷密度nSk会产生一个有效磁场Bem∝nSk ez,称为"涌现磁场"。
在强洪德耦合极限下,能带结构类似量子霍尔系统的兰道能级。
反铁磁天旋星由两个相反方向的子天旋星组成,其涌现磁场相互抵消,导致拓扑霍尔效应被补偿。

Quotes

"天旋星和反铁磁天旋星会引起拓扑轨道霍尔效应,即使导电电子只与天旋星纹理耦合的自旋,也会产生轨道极化的电流。"
"反铁磁天旋星的拓扑霍尔效应被补偿,但仍会产生纯粹的拓扑轨道霍尔效应,其大小可以远大于拓扑自旋霍尔效应。"

Key Insights Distilled From

Topological orbital Hall effect caused by skyrmions and antiferromagnetic skyrmions

by Börg... at arxiv.org 10-02-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.00820.pdf

Deeper Inquiries

天旋星和反铁磁天旋星的拓扑轨道霍尔效应在未来的自旋电子学和轨道电子学应用中有何潜在的优势?

天旋星和反铁磁天旋星的拓扑轨道霍尔效应（Topological Orbital Hall Effect, TOHE）在自旋电子学和轨道电子学中具有显著的潜在优势。首先，拓扑轨道霍尔效应能够产生强大的轨道电流，这种电流的强度可以比自旋霍尔电流高出多个数量级。这意味着在信息存储和处理技术中，利用轨道电流可以实现更高效的能量传输和更快的信号处理速度。此外，拓扑轨道霍尔效应的存在使得系统对外部扰动（如温度和磁场）的鲁棒性增强，从而提高了设备的稳定性和可靠性。
其次，天旋星和反铁磁天旋星的拓扑特性使得它们在量子计算和量子信息处理中的应用前景广阔。由于这些拓扑磁性纹理具有非平凡的拓扑结构，它们能够支持边缘态，这些边缘态在量子计算中可以用作信息的传输通道，具有较低的能量损耗和较高的抗干扰能力。
最后，拓扑轨道霍尔效应的可调性为未来的自旋电子学和轨道电子学应用提供了更多的灵活性。通过调节材料的结构、电子的耦合强度以及外部磁场等参数，可以实现对轨道电流的精确控制，从而满足不同应用场景的需求。

如何进一步提高和调控这些系统中的拓扑轨道霍尔效应?

要进一步提高和调控天旋星和反铁磁天旋星中的拓扑轨道霍尔效应，可以从以下几个方面入手：

材料设计与优化：选择合适的材料体系是实现强拓扑轨道霍尔效应的关键。通过合成新型的磁性材料，特别是那些具有强自旋轨道耦合和高拓扑不变量的材料，可以增强拓扑轨道霍尔效应的强度。

调节耦合强度：通过调节电子的耦合强度（如Hund耦合），可以改变电子的自旋和轨道极化状态，从而影响拓扑轨道霍尔效应的表现。利用外部电场或应变场来调节耦合强度，可以实现对效应的动态控制。

外部场的应用：施加外部磁场或电场可以有效地调控拓扑轨道霍尔效应的性质。例如，改变外部磁场的方向和强度，可以影响天旋星的拓扑特性，从而调节轨道电流的生成和传输。

纳米结构化：通过将材料制备成纳米结构（如纳米线、薄膜等），可以增强边缘态的贡献，进而提高拓扑轨道霍尔效应的可观测性。纳米结构化还可以引入量子限制效应，进一步调控电子的行为。

拓扑轨道霍尔效应是否也可以在其他类型的拓扑磁性纹理中观察到,例如反天旋星、双天旋星等?

是的，拓扑轨道霍尔效应不仅可以在天旋星和反铁磁天旋星中观察到，还可以在其他类型的拓扑磁性纹理中实现，例如反天旋星和双天旋星等。这些拓扑磁性纹理同样具有复杂的磁性结构和非平凡的拓扑特性，能够支持类似的轨道电流现象。
在反天旋星中，由于其独特的磁性排列和相互作用，可能会导致不同的拓扑响应，进而影响轨道霍尔效应的表现。双天旋星作为一种新型的拓扑磁性纹理，其拓扑特性和相互作用也可能为拓扑轨道霍尔效应的实现提供新的途径。
此外，研究表明，其他具有非平凡拓扑结构的磁性纹理，如bimerons和biskyrmions等，也可能展现出拓扑轨道霍尔效应。这些新型的拓扑磁性纹理为探索和实现更丰富的拓扑现象提供了广阔的研究空间，推动了自旋电子学和轨道电子学的发展。