Intrinsic torques emerging from anomalous velocity in magnetic textures

磁気構造中の異常速度に起因した内因性トルク

荒木 康史   ; 家田 淳一   

Araki, Yasufumi; Ieda, Junichi

強いスピン-軌道相互作用の下での電子系には、運動量空間内のトポロジーが発現する。この電子系トポロジーは磁性体中の磁気構造に対して、乱れや熱揺らぎに影響されない電場誘起トルクを与える。本研究では現象論的なトルクの分類に基づき、バンドトポロジーとトルクの間の直接的な関係を示す。内因性異常ホール効果と同様に、トルクにもまた、非平衡輸送電流に依らず異常速度に起因した内因的効果が現れる。特に本論文では、磁気構造内でのみ現れる内因的トルクの存在を明らかにし、これを「トポロジカルホールトルク(THT)」と呼ぶ。このTHTはバルク結晶中で現れ、界面や表面といった構造を用いる必要がないものである。数値モデルの計算に基づき、金属強磁性体中での従来のスピン移行トルクと比較して、このTHTは非常に大きなトルクを与えることを明らかにする。特に金属強磁性体における実験で報告されていた巨大な電流誘起トルクは、このTHTとして理解できることを示す。

Momentum-space topology of electrons under strong spin-orbit coupling contributes to the electrically induced torques exerting on magnetic textures insensitively to disorder or thermal fluctuation. We present a direct connection between band topology and the torques by classifying the whole torques phenomenologically. As well as the intrinsic anomalous Hall effect, the torques also emerge intrinsically from the anomalous velocity of electrons regardless of a nonequilibrium transport current. We especially point out the intrinsic contribution arising exclusively in magnetic textures, which we call the "topological Hall torque (THT)". The THT emerges in bulk crystals without any interface or surface structures. We numerically demonstrate the enhancement of the THT in comparison with the conventional spin-transfer torque in the bulk metallic ferromagnet, which accounts for the giant current-induced torque measured in ferromagnetic .