PRL: 调控笼目磁体陈数能隙的新机制- 大数跨境

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PRL: 调控笼目磁体陈数能隙的新机制

两江科技评论

2021-06-18

导读：近日，北京大学物理学院量子材料科学中心贾爽课题组、普林斯顿大学M. Zahid Hasan研究组以及相关合作者在调控笼目磁体陈数能隙的机制上取得了重要进展。相关研究成果于2021年6月16日发表于《物

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撰稿|由课题组供稿

导读

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心贾爽课题组、普林斯顿大学M. Zahid Hasan研究组以及相关合作者在调控笼目磁体陈数能隙的机制上取得了重要进展。相关研究成果以“Rare Earth Engineering in RMn₆Sn₆ (R = Gd – Tm, Lu) Topological Kagome Magnets”为题，于2021年6月16日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。北京大学物理学院量子材料科学中心贾爽副教授、普林斯顿大学M. Zahid Hasan 教授是本文的共同通讯作者，量子材料科学中心博士研究生马文龙，许锡童（已毕业）以及普林斯顿大学博士后殷嘉鑫为本文共同第一作者。这一工作的理论合作者为量子材料科学中心的王垡研究员和博士研究生杨辉。该工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，中科院卓越创新中心，北京量子研究院等支持。

研究背景

探索具有电子关联作用的拓扑量子材料一直是凝聚态物理研究的前沿领域之一。1988年，诺贝尔奖获得者D. Haldane教授在这个方向率先提出了开创性的概念，指出关联电子特殊的能带波函数结构可以在无外磁场的作用下产生非平庸的陈数能隙（Chern gap），此后被称为Haldane模型[1]。有理论学家进一步预测，具有Kane-Mele自旋轨道耦合和面外铁磁性的笼目晶格（Kagome Lattice）有望实现包括高温本征量子反常霍尔效应在内的多种新奇拓扑物态[2]。然而，笼目材料的复杂物性和磁性往往超出理论预期，导致很多样品都无法合成或者实验上无法测量到直接与拓扑态有关的现象等等。

近年来，北京大学贾爽课题组和普林斯顿大学的研究人员以及其他合作者们将Haldane/Kane-Mele的理论与先进的样品生长和测量技术相结合，终于破解了这个难题。并于2020年发现了一种具有纯净笼目晶格和面外铁磁性的高温陈数笼目磁体TbMn₆Sn₆[3]。

创新研究

研究人员通过替换不同的稀土元素，系统地研究了一系列与TbMn₆Sn₆具有类似量子输运特性的笼目磁体RMn₆Sn₆。通过低温电输运测量，确定了这一系列样品均表现出具有非平庸贝利相位的SdH量子振荡以及由贝利曲率场引起的本征反常霍尔效应。这与合作者在角分辨光电子能谱（ARPES）上观测到的狄拉克线性色散相结合，证明了该系列样品是一族具有有质量狄拉克费米子的陈数拓扑磁体。

同时，这一族材料的拓扑能带结构呈现出随稀土元素系统性变化的趋势，其中样品的狄拉克锥能量(E_D) 与稀土原子的de Gennes因子呈平方根变化关系，而能隙(∆) 与稀土原子的de Gennes因子呈线性变化关系。研究团队认为4f与3d电子之间的相互作用是稀土元素可以在RMn₆Sn₆中充当量子调节旋钮的原因。该工作证实了稀土元素可以有效的调节笼目磁体中的陈数能隙，这是一种不同于Kane-Mele模型的陈数能隙调控方式，为未来关联体系中拓扑电子的量子操控开辟了新的方向。

图文速览

图1 RMn₆Sn₆的晶体结构，物理性质和拓扑电子。(a) RMn₆Sn₆中的Mn笼目晶格和R子晶格。(b) 磁性笼目晶格中具有陈数能隙的有质量狄拉克费米子示意图。(c) 零外加磁场下不同样品的磁结构。蓝色和绿色的箭头分别代表Mn和R原子的磁矩。(d) 不同单晶样品的电阻率-温度曲线。插图：晶格取向。(e) 外加1T磁场下不同样品的磁化强度-温度曲线。(f) 不同样品在2 K下的SdH量子震荡。(g) 朗道指数图。(f) 图中的峰值位置被定为半整数，而谷值位置为整数。插图：N = 0附近的放大图

图2 (a)-(g): RMn₆Sn₆的磁化强度和霍尔电阻率随磁场的变化关系。(h): 反常霍尔电导率σ_AH随电导率σ_xx的变化关系。

图3 RMn₆Sn₆系列样品的狄拉克锥能量(E_D)和能隙(∆)。E_D和的系统演变分别与稀土原子的de Gennes因子呈平方根和线性关系。插图：具有陈数能隙的狄拉克锥。

图4 RMn₆Sn₆中R原子与Mn笼目晶格之间的电子跳跃示意图。(a)单电子跳跃的一阶过程。(b)双电子跳跃的二阶过程。

参考文献：

[1] F. D. M. Haldane, “Model for a Quantum Hall Effect without Landau Levels: Condensed-Matter Realization of the "Parity Anomaly"”, Phys. Rev. Lett. 61, 2015 (1988).

[2] G. Xu, B. Lian, and S.-C. Zhang, “Intrinsic Quantum Anomalous Hall Effect in the Kagome Lattice Cs₂LiMn₃F₁₂”, Phys. Rev. Lett. 115, 186802 (2015).

[3] J.-X. Yin, W. Ma, T. A. Cochran, X. Xu, S. S. Zhang, H.-J. Tien, N. Shumiya, G. Cheng, K. Jiang, B. Lian, et al. “Quantum-limit Chern topological magnetism in TbMn₆Sn₆”, Nature 583, 533 (2020).

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