Magnetic orderings from spin-orbit coupled electrons on kagome lattice

籠目格子上でのスピン軌道相互作用に由来する磁気秩序

渡邊 成*; 荒木 康史   ; 小林 浩二*; 小澤 耀弘*; 野村 健太郎*

Watanabe, Jin*; Araki, Yasufumi; Kobayashi, Koji*; Ozawa, Akihiro*; Nomura, Kentaro*

本論文では籠目格子上で構成される磁気秩序について、電子系の強束縛ハミルトニアンに基づいて数値計算を行い、電子の充填率及びスピン軌道相互作用の強さに対する依存性を調べる。籠目格子上では電子の充填率によって、強磁性及びノンコリニア反強磁性秩序のいずれも取りうることを示す。これらの磁気秩序は、籠目格子に特有のディラック分散や平坦バンドといったバンド構造に由来するものである。更に、Kane-Mele型やRashba型のスピン軌道相互作用を導入することで、実効的なDzyaloshinskii-Moriya相互作用が誘起され、磁気スパイラルや反強磁性120度構造等のノンコリニアな磁気秩序が安定化されることを示す。本研究によって得られた磁気秩序の相構造に関する知見は、ワイル・ディラック電子を示すような籠目格子の層状物質群における磁気秩序の起源を理解するのに役立つと期待される。

We investigate magnetic orderings on kagome lattice numerically from the tight-binding Hamiltonian of electrons, governed by the filling factor and spin-orbit coupling (SOC) of electrons. We find that even a simple kagome lattice model can host both ferromagnetic and noncollinear antiferromagnetic orderings depending on the electron filling, reflecting gap structures in the Dirac and flat bands characteristic to the kagome lattice. Kane-Mele- or Rashba-type SOC tends to stabilize noncollinear orderings, such a magnetic spirals and 120-degree antiferromagnetic orderings, due to the effective Dzyaloshinskii-Moriya interaction from SOC. The obtained phase structure helps qualitative understanding of magnetic orderings in various kagome-layered materials with Weyl or Dirac electrons.