稳态强磁场实验装置用户解析出不同类型磁性拓扑半金属的磁结构
时间 : 2021-06-24     

近日,稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心朱文卡副研究员、张蕾研究员与华中科技大学田召明教授以及安徽大学刘威博士等合作,利用SHMFF所属水冷磁体WM5解析出不同类型磁性拓扑半金属的磁结构。相关研究成果分别以“Critical behavior of the magnetic Weyl semimetal PrAlGe”和“Field-induced tricritical phenomenon and multiple phases in DySb”为题发表在Physical Review B上。

拓扑半金属是近几年凝聚态物理研究的热点,这类材料表现出很多新奇的物理现象,如高迁移率、超大正磁阻、负磁阻效应、反常霍尔效应等。对于磁性拓扑半金属而言,磁性可以产生并调控外尔点,使得这类材料成为研究外尔物理和磁性之间联系的理想平台。并且,越来越多的研究表明:磁结构和磁耦合对于各种拓扑非平庸量子态的形成和演化至关重要,磁性和拓扑非平庸态之间的联系已经在很多磁性拓扑材料中被证实。相比于非磁性拓扑半金属在理论预测和实验证实方面的快速进展,磁性拓扑半金属由于缺少合适或者高质量的单晶以及实验手段的制约,大多数理论预言的磁性拓扑半金属仍然未被实验证实。因此,新型磁性拓扑半金属的探索和研究,对于认识磁性拓扑材料非常重要。

鉴于此,在本研究中,研究人员对磁性拓扑半金属材料PrAlGeDySb的高质量的单晶展开了深入研究。在磁性半金属材料PrAlGe中,本征磁有序充当塞曼耦合使得自旋向上和自旋向下的能带发生劈裂,但是整体能带结构并未改变。对其磁性的研究揭示了该体系中的低维磁性耦合(2D-Ising类型)。进一步,研究人员解析出了PrAlGe的磁结构:磁矩在c方向为铁磁排列,但是具有在ab面内的反铁磁分量。而对于拓扑磁性半金属DySb,磁场沿着不同的晶向时,表现出复杂的磁场诱导相变,并且理论预言其磁性半金属态存在于铁磁相中,然而两个反铁磁相对应的拓扑态仍难以确定。因此,研究人员聚焦于H//[001]的丰富磁性相变。研究结果揭示了该体系中存在磁场诱导的三重临界现象。基于不同磁结构的解析,研究人员构建了DySb详细的H-T相图。这两种拓扑半金属体系中丰富的磁相变和复杂的磁相图,表明其中的自旋耦合存在着微妙的竞争和平衡。该研究结果对于理解拓扑半金属该体系中的磁性和拓扑性质之间的联系具有重要意义。

文章链接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.214401

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.102.174417

  

图1:(a)PrAlGe的晶体结构和磁结构;(b)高场下的M(H)曲线;(c)角度依赖的磁化强度曲线;(d)高场下的等热临界拟合分析。