Магнонные изоляторы представляют собой спиновые системы, в которых возбуждения спиновых волн — магноны — демонстрируют топологически защищённые краевые состояния, аналогичные электронным состояниям на поверхности топологических изоляторов. В отличие от электронных систем, здесь перенос информации осуществляется не зарядом, а спиновыми возбуждениями, что делает такие материалы перспективными для спинтроники и энергоэффективных квантовых технологий.
Топологический характер магнонных изоляторов обусловлен особенностями спектра спиновых волн, формируемого под действием обменного взаимодействия, анизотропии и диполь-дипольных взаимодействий. Нарушение симметрий, например временной обратимости или пространственной инверсии, ведёт к открытию энергетических щелей в магнонных спектрах и формированию нетривиальной топологии.
В ферромагнетиках магноны описываются как бозонные квазичастицы с дисперсией, зависящей от направления волнового вектора и взаимодействий между спинами. При включении спин-орбитального взаимодействия или при наложении внешнего магнитного поля формируются зоны, обладающие ненулевыми топологическими инвариантами.
Ключевой элемент анализа — число Черна, которое вычисляется для магнонных зонных структур по аналогии с электронными системами. Ненулевое значение числа Черна означает существование одномерных краевых мод, локализованных на границах образца. Эти моды устойчивы к слабым возмущениям и дефектам, что определяет их практическую ценность.
Эффект Холла магнонов Аналог электронного эффекта Холла возникает в результате эффективного «магнитного поля» в пространстве импульсов, связанного с кривизной Берри магнонных состояний. В присутствии внешнего поля или при неколлинеарном порядке спинов магноны могут двигаться по краевым траекториям, что соответствует топологически защищённому переносу.
Нарушение симметрий
Дипольные взаимодействия Долгопробежные магнитные дипольные силы играют роль в формировании топологических состояний, особенно в двумерных материалах, где обменные взаимодействия конкурируют с магнитостатическими эффектами.
Наиболее распространённая модель — гамильтониан Хайзенберга с дополнительными членами спин-орбитальной природы:
H = −∑⟨i, j⟩JijSi ⋅ Sj + ∑⟨i, j⟩Dij ⋅ (Si × Sj) − gμB∑iB ⋅ Si,
где первый член отвечает за обменное взаимодействие, второй — за взаимодействие Дзялошинского–Мория (DM-взаимодействие), а третий — за взаимодействие с внешним магнитным полем.
DM-взаимодействие играет ключевую роль в создании топологической структуры магнонных зон, поскольку оно аналогично спин-орбитальному взаимодействию в электронных системах.
Топологические магнонные изоляторы были реализованы в ряде магнетиков с различными типами решёток:
Методы измерения включают спектроскопию неупругого рассеяния нейтронов, терагерцовую спектроскопию и методы бриллюэновского рассеяния света.
Краевые состояния в топологических магнонных изоляторах локализованы вдоль границ образца и характеризуются односторонним (хиральным) переносом возбуждений. Важной особенностью является их устойчивость к неупорядоченности, что подтверждается численными моделями и экспериментами.
Эти состояния позволяют транспортировать спиновую информацию без диссипации, что делает их аналогом топологических каналов в электронике, но с переносом спина вместо заряда.