Topological magnon materials and transverse magnon transport - [kumulative Dissertation]

Abstract

In dieser Arbeit werden fundamentale topologische Eigenschaften von Magnonen theoretisch untersucht. Die Magnonenspektren zwei- und dreidimensionaler Magneten werden durch topologische Invarianten charakterisiert, die im Rahmen der linearen Spinwellen-Näherung berechnet werden. Magnonische Gegenstücke zu elektronischen topologischen Chern-Isolatoren, Weyl-Semimetallen und Semimetallen mit Knotenlinien werden ermittelt. Ihre jeweiligen Ränder oder Oberflächen weisen topologisch geschützte Magnonenzustände auf. Die nichttriviale Topologie der Magnonenspektren führt zu transversalem Transport, z.B. zum thermischen Magnon-Hall-Effekt. Eine Methode zur Berechnung des Magnonentransports wird entwickelt, die auf klassischen, atomistischen Spindynamiksimulationen und der Kubo-Formel beruht. Sie wird verwendet, um den transversalen Transport im topologischen Magnon-Isolator Cu(1,3-Benzen-Dicarboxylat) und in Skyrmionkristallen, die den topologischen Magnon-Hall-Effekt aufzeigen, zu untersuchen.

This thesis reports on a theoretical study of fundamental topological properties of magnons. Magnon spectra of two- and three-dimensional magnets are characterized by topological invariants calculated within the framework of linear spin-wave theory. Magnonic counterparts of electronic topological Chern insulators, Weyl semimetals, and nodal-line semimetals are identified. They respectively host topologically protected edge magnons, magnon arcs, and magnon drumhead surface states. The nontrivial topology of magnon spectra leads to transverse transport, e.g., a thermal magnon Hall effect. To complement the results obtained in the limit of non-interacting magnons, a method for the computation of the magnon transport properties is developed, which is based on classical atomistic spin dynamics simulations and the Kubo formula. It is applied to the topological magnon insulator Cu(1,3-benzenedicarboxylate) and to skyrmion crystals that exhibit the topological magnon Hall effect.