Forschung: Dirac-Magnonen, Knotenlinien und Knotenebenen in elementarem Gadolinium

Die Erforschung der Bandtopologie in kristallinen Festkörpern steht seit vielen Jahren an der Spitze der Physik der kondensierten Materie bei den Bemühungen, theoretische Physik, Materialwissenschaften und leistungsstarke spektroskopische Techniken miteinander zu verbinden. Ein relativ neuer Weg ist die Erforschung der Bandtopologie in der Spinwellen- oder Magnon-Anregung magnetischer Materialien. Die Spinwellentopologie ist mit neuartigen magnetischen Transporteigenschaften, wenig erforschten Symmetrien und Oberflächenmagnetismus verbunden und bietet eine neue Plattform zur Untersuchung von Wechselwirkungen. Eine der aktuellen Hauptrichtungen besteht darin, neue Materialien mit topologisch interessanten Bandstrukturen zu finden, und diese neue Studie tut genau dies, indem sie die Existenz von Dirac-Knotenlinien und einer Knotenebene in den Magnonen von elementarem Gadolinium feststellt.

Gadolinium ist ein magnetisches Metall mit einer hexagonal dicht gepackter Kristallstruktur, in das sich bei etwa Raumtemperatur die magnetischen Momente zu einer einfachen ferromagnetischen Struktur ordnen. In dieser neuen Studie untersuchte ein Team von Experimentatoren am Oakridge National Lab in den USA, zusammen mit theoretischen Mitarbeitern, die magnetischen Anregungen von Gadolinium in der geordneten Phase in beispielloser Detailgenauigkeit unter Verwendung inelastischer Neutronenstreuung. Sie fanden heraus, dass Gadolinium Dirac-Magnonen in Form von Knotenlinien beherbergt, die sich entlang der Zonenecken erstrecken. Die Existenz der Knotenlinien ergibt sich aus dem Vorhandensein einer Kombination aus Spinrotation und kristallinen Symmetrien, was ein erstes experimentelles Beispiel für die Bedeutung solcher Symmetrien für die Bandtopologie liefert. In der Nähe der Knotenlinien windet sich die Neutronenstreuintensität von stark nach schwach um die Linien und ist zwischen den beiden Bändern gegenphasig (wie in der Abbildung gezeigt). Diese Intensitätssignatur ist eine robuste Vorhersage, die mit der nichttrivialen Topologie dieser Punkte verbunden ist. Aus der Existenz der Knotenlinien kann man auf die Existenz von Magnonen-Oberflächenzuständen - schließen, ein herausforderndes Ziel für zukünftige Experimente.

Darüber hinaus erzwingen die nichtsymmorphen Kristallsymmetrien zusammen mit der Spinrotation das Vorhandensein einer entarteten Ebene von Magnonenanregungen. So wie die Knotenlinien eine Windung der Neutronenintensität in ihrer Nähe aufweisen, ist die Knotenebene mit einem scharfen Umkehren der Intensität auf Pfaden verbunden, die die Ebene kreuzen. Sowohl die Knotenebene als auch der Intensitätssprung sind in den Daten deutlich zu beobachten.

A. Scheie, Pontus Laurell, P. A. McClarty, G. E. Granroth, M. B. Stone, R. Moessner, S. E. Nagler,
Dirac magnons, nodal lines, and nodal plane in elemental gadolinium,
Phys. Rev. Lett. 128, 097201(2022) (arXiv)