Topological magnon insulator spin excitations in the two-dimensional ferromagnet CrBr 3

马格农 物理 凝聚态物理 哈密顿量(控制论) 铁磁性 自旋波 拓扑绝缘体 非弹性中子散射 费米子 量子力学 散射 中子散射 数学优化 数学
作者
Zhengwei Cai,Song Bao,Zhao-Long Gu,Yipeng Gao,Zhen Ma,Yanyan Shangguan,Wenda Si,Zhao-Yang Dong,Wei Wang,Yizhang Wu,Dongjing Lin,Jinghui Wang,Kejing Ran,Shichao Li,Devashibhai Thakarshibhai Adroja,Xiaoxiang Xi,Shun-Li Yu,Xiaoshan Wu,Jian‐Xin Li,Jinsheng Wen
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:104 (2) 被引量:73
标识
DOI:10.1103/physrevb.104.l020402
摘要

Topological magnons are bosonic analogues of topological fermions in electronic systems. They have been studied extensively by theory but rarely realized by experiment. Here, by performing inelastic neutron scattering measurements on single crystals of a two-dimensional ferromagnet ${\mathrm{CrBr}}_{3}$, which was classified as Dirac magnon semimetal featured by the linear bands crossing at the Dirac points, we fully map out the magnetic excitation spectra, and reveal that there is an apparent gap of $\ensuremath{\sim}3.5$ meV between the acoustic and optical branches of the magnons at the K point. By collaborative efforts between experiment and theoretical calculations using a five-orbital Hubbard model obtained from first-principles calculations to derive the exchange parameters, we find that a Hamiltonian with Heisenberg exchange interactions, next-nearest-neighbor Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction, and single-ion anisotropy is more appropriate to describe the system. Calculations using the model show that the lower and upper magnon bands separated by the gap exhibit Chern numbers of $\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}1$. These results indicate that ${\mathrm{CrBr}}_{3}$ is a topological magnon insulator, where the nontrivial gap is a result of the DM interaction.

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