Theoretical prediction for probing magnon topology

Abstract

In this thesis, potential hallmarks of topological magnons in macroscopic observables of magnetic insulators are investigated. The magnon band structure for various models of two-dimensional ferromagnets, collinear, and noncollinear antiferromagnets are characterized for their topological properties. The signatures of magnetic and topological phase transitions in the thermal Hall effect of magnons are analyzed in collinear antiferromagnets. Based on experimental data for Na2Co2TeO6 the magnon transport theory is validated and extended to include magnon polarons. The extended theory explains important qualitative features of the transport measurements highlighting the importance of magnon polarons in the thermal Hall effect. Furthermore, the electric dipole moment of topological magnons is predicted, which causes an electric edge polarization in equilibrium. Despite their charge neutrality, topological magnons are shown to respond to alternating electric fields rendering them electrically active. Those topological electromagnons are predicted to bring about unique footprints in the electrical absorption spectra at THz frequencies.

In dieser Doktorarbeit werden mögliche Kennzeichen von topologischen Magnonen in makroskopischen Observablen von magnetischen Isolatoren untersucht. Dabei werden die topologischen Eigenschaften von Magnonenbandstrukturen für verschiedene Modelle von Ferromagneten, kollinearen und nichtkollinearen Antiferromagneten analysiert. In kollinearen Antiferromagneten werden die Signaturen von magnetischen und topologischen Phasenübergängen im thermischen Hall-Effekt von Magnonen identifiziert. Anhand experimenteller Daten für Na2Co2TeO6 wird die Magnontransporttheorie überprüft und um Magnonpolaronen erweitert, wodurch sie wichtige qualitative Merkmale der Transportmessungen zu erklären vermag. Weiterhin wird ein elektrisches Dipolmoment von topologischen Magnonen vorhergesagt, das sich in einer elektrischen Randpolarisation äußert. Es wird demonstriert, dass die ungeladenen topologischen Magnonen elektrische Felder absorbieren, wodurch sie in der Terahertz-Spektroskopie in Erscheinung treten.