Field control of magnonic heat flow in square lattice Heisenberg antiferromagnets
The utilisation of the spin degree of freedom for the transfer of information has become a key interest in modern microtechnology. In this work I investigate the influence of magnetic and electric fields on the spin system’s ability to transport heat. I consider a two-dimensional square lattice with nearest-neighbour antiferromagnetic Heisenberg interaction. Using a Green’s function approach and the Kubo formula, I derive expressions which relate the thermal conductivity to the magnetic excitation’s mobility, heat capacity, and their lifetime. All three of these properties are affected by the external fields which I consider. In the first part of this work I consider a magnetic field which is homogeneously applied to the system. I focus on the effect of field-induced inter-magnon scattering which reduces their lifetime. I find that the temperature-independent spontaneous decay processes drastically reduce the magnetic thermal conductivity. Such processes occur only beyond a specific strength of the field. Spontaneous magnon decay reduces the lifetime of a large proportion of magnon modes and, as a result, also the thermal conductivity. The effects of spontaneous magnon decay can be expected to be experimentally observable for materials with a high contribution of magnetic excitations to the thermal transport. In the second part of this thesis I consider the effect of an electric field which is applied homogeneously to the whole system and only to a finite spatial region. Because the electric field leads to the emergence of an additional Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction, it can be used to change the magnetic order, too. The DM-vectors caused by the electric field are anisotropic. This anisotropy is also observed in the magnetic order of the classical ground state, the magnon spectrum, as well as in the thermal conductivity. Due to the broken translational invariance in the inhomogeneous setup, linear spin wave theory has to be used in real- instead of in momentum-space to obtain the magnon spectrum. I use numerical procedures to determine the thermal conductivity on a finite lattice. My results show that the inhomogeneity introduces additional scattering. It turns out that, because the gap opens for short-wavelength magnons, the size of the region where the field applied to is more or less inessential. It is therefore possible to control the thermal transport by the electric field’s strength.
In dieser Arbeit habe ich den Einfluss von magnetischen und elektrischen Feldern auf die Fähigkeit des Spinsystems Wärme zu leiten untersucht. Ich habe ein zwei-dimensionales Quadratgitter mit antiferromagnetischer nächstnachbar Heisenberg-Wechselwirkung betrachtet. Durch Anwendung von Green’s-Funktionen und der Kubo-Formel konnte ich Beziehungen herleiten, die die thermische Leitfähigkeit mit charakteristischen Eigenschaften der magnetischen Anregungen in Zusammenhang bringen. Diese Eigenschaften können mit den untersuchten externen Feldern beeinflusst werden. Im ersten Teil der Arbeit habe ich den Effekt eines magnetischen Feldes untersucht, welches homogen im gesamten System angelegt wird. Hier wurden Magnon-Magnon-Streuprozesse berücksichtigt, die durch das Magnetfeld verursacht wer-den und die Magnonlebensdauer senken. Ich habe ermittelt, dass die temperaturunabhängigen spontanen Zerfallsprozesse die thermische Leitfähigkeit drastisch reduzieren. Diese Prozesse treten jedoch erst oberhalb einer spezifischen Magnetfeldstärke auf. Durch spontane Zerfallsprozesse, welche erst ab einer kritischen Feldstärke stattfinden, sinkt die Lebensdauer einer Vielzahl von Magnon-moden und damit auch die thermische Leitähigkeit. Der zweite Teil dieser Arbeitbetrachtet die Auswirkungen eines elektrischen Feldes auf die thermische Leitfähigkeit. Da dieses Feld zum Auftreten einer zusätzlichen Dzyaloshinskii-Moriya(DM)-Wechselwirkung führt, ist es geeignet, die magnetische Ordnung zu beeinflussen. Die DM-Vektoren zeigen in unterschiedliche Richtungen. Die hiermit einhergehende Anisotropie hat Auswirkungen auf die thermische Leitfähigkeit.Für den Fall gebrochener Translationsinvarianz führte ich die lineare Spinwellen-theorie im Real- statt im Impulsraum durch. Ich wandte numerische Verfahren an,um die thermische Leitfähigkeit auf einem endlichen Gitter zu berechnen. Meine Resultate zeigen, dass durch Anlegen des elektrischen Feldes in einem räumlichbeschränkten Bereich eine zusätzliche Quelle für Streuung entsteht, was im Ver-gleich zum homogenen Fall die thermische Leitfähigkeit noch weiter reduziert. Es zeigt sich, dass das elektrische Feld nur in einer kleinen Region angelegt werden muss, um die selben Effekte wie für das homogene System zu erreichen. Damit kann der Wärmetransport in einem magnetischen Material durch Anlegen eineselektrischen Feldes in einer kleinen Region gesteuert werden.
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