Intrinsic vibrational angular momentum driven by non-adiabatic effects in non-collinear magnetic systems
Moment angulaire vibrationnel intrinsèque entraîné par des effets non adiabatiques dans les systèmes magnétiques non colinéaires
Résumé
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.
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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)