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Oliviero Bistoni, doctorant dans l’équipe Spectroscopie des nouveaux états quantiques, soutient sa thèse le jeudi 27 janvier 2022 à 14 h.
Sorbonne Université – INSP – 4 place Jussieu – 75005 Paris – Barre 22-23, salle 307
© INSP – Cécile Duflot
Moment angulaire intrinsèque de phonons induits par des effets non-adiabatiques dans des systèmes magnétiques non-colinéaires
Résumé
En l’absence de champs externes, les modes vibrationnels des systèmes périodiques sont généralement considérés comme linéairement polarisés et, en tant que tels, ils ne portent pas de moment cinétique. Notre travail prouve que les effets non adiabatiques dus au couplage électron-phonon sont des interactions de rupture de symétrie par inversion du temps pour le champ vibrationnel dans des systèmes à magnétisme non colinéaire et à grand couplage spin-orbite. Comme dans ces systèmes les éléments de matrice de potentiel de déformation sont nécessairement complexes, un champ de gauge synthétique non nul (courbure de Berry) apparaît dans les équations dynamiques du
mouvement ionique. En conséquence, les phonons non adiabatique sont polarisés de manière elliptique et des moments angulaires vibrationnels intrinsèques se produisent même pour des modes non dégénérés et sans sondes externes. Ces résultats sont validés en effectuant des calculs ab-initio entièrement relativistes sur des molécules de platine isolantes et un composé de manganèse métallique, à magnétisme non colinéaire. Dans les deux cas, les modes vibrationnels non adiabatiques portent des moments angulaires importants comparables à ceux électroniques orbitaux dans les ferroaimants itinérants.
Mots clés : effets non-adiabatiques, moment cinétique des phonons, courbure de Berry, magnétisme non-colinéaire, couplage électron-phonon, symétrie par inversion du temps
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Oliviero Bistoni, PhD student at Spectroscopy of Novel quantum states team, will defend her thesis on Thursday, January 27, 2022 at 2:00 pm
Sorbonne Université – 4 place Jussieu – 75005 Paris – Corridor 22-23, room 307
© INSP – Cécile Duflot
Intrinsic Phonon Angular Momentum Driven by Non-adiabatic Effects in Non-collinear Magnetic Systems
Abstract
In absence of external fields, vibrational modes of periodic systems are usually considered as linearly polarized and, as such, they do not carry angular momentum. Our work proves that non-adiabatic effects due to the electron-phonon coupling are time-reversal symmetry breaking interactions for the vibrational field in systems with non-collinear magnetism and large spin-orbit coupling. Since in these systems the deformation potential matrix elements are necessarily complex, a nonzero synthetic gauge field (Berry curvature) arises in the dynamic equations of the ionic motion. As a result, phonon modes are elliptically polarized in the non-adiabatic framework and intrinsic vibrational angular momenta occur even for non-degenerate modes and without external probes. These results are validated by performing fully relativistic ab-initio calculations on two insulating platinum clusters and a metallic manganese compound, with non-collinear magnetism. In both cases, non-adiabatic vibrational modes carry sizeable angular momenta comparable to the orbital electronic ones in itinerant ferromagnets.
Keywords: non-adiabatic effects, phonon angular momentum, Berry curvature, non-collinear magnetism, electron-phonon coupling, time-reversal symmetry
Jury
- Mme Francesca Baletto – Assistant Professor – King’s College London – Rapportrice
- M. Ivo Souza – Full Professor – Universidad del País Vasco – Rapporteur
- M. Jean-Noel Fuchs – DR CNRS – LPTMC – Examinateur
- Mme Daniela Ascenzi – Assistant Professor – University of Trento – Examinatrice
- M. Matteo Calandra – Full Professor – University of Trento – Directeur de thèse
- M. Tristan Cren – DR CNRS – INSP – Co-directeur de thèse
