拓扑自旋动力学的量子场论

我们发展了量子磁体与磁性(半)金属的场论，适用于分析其普适与拓扑性质。所关注体系包括共线、共面及一般非共面磁体。在基本层面上，我们在连续极限下用光滑矢量场描述磁矩的动力学。Dzyaloshinskii-Moriya相互作用由非阿贝尔矢量规范场刻画，而与拓扑缺陷相关的手性自旋耦合则表现为高阶反对称张量规范场。我们依据对非阿贝尔规范通量的平衡响应区分I型与II型磁体，并刻画由此产生的skyrmion与hedgehog晶格、自旋波谱以及对外部扰动的手性响应。电子的一般自旋轨道耦合同样由非阿贝尔规范场描述，包括与电子Berry通量相关的高阶张量。巡游电子与局域磁矩通过Kondo与Hund相互作用交换其规范通量。因此，借助规范场，本理论为“内禀”与“拓扑”反常霍尔效应、自旋霍尔效应以及电子与磁矩拓扑性质之间的其他关联提供了统一的物理图像。我们预言在易承载hedgehog的材料中存在“拓扑”磁电效应。通过由包括含自旋轨道相互作用的Hubbard模型在内的通用微观模型推导耦合与规范场，建立了与实验及模型计算的联系。我们确立了展现分数磁电效应的新颖量子自旋液体之可能存在，并讨论了在Mn$_3$Sn与Pr$_2$Ir$_2$O$_7$等拓扑磁性导体中的若干应用。