稳态强磁场实验装置用户在磁性拓扑新材料方向取得重要进展
时间 : 2021-12-03     

稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户复旦大学、上海科技大学、哈尔滨工业大学与中科院合肥研究院强磁场科学中心合作,借助SHMFF所属水冷磁体WM5研究了强磁场下EuAs3单晶的量子输运物性并证实了EuAs3存在磁性诱导的拓扑相变。相关成果以题为 “Magnetism-induced topological transition in EuAs3”发表于国际著名期刊《自然:通讯》(Nature Communications)。

在磁性拓扑研究领域,磁性与非平庸拓扑相之间的关联是一个重要的基础问题,由于其复杂性,迄今尚未有全局的物理图像。在拓扑绝缘体中掺入磁性杂质,当时间反演对称性破缺导致的表面态交换能隙与费米能级位置满足一定条件时,会出现量子反常霍尔效应,从而实现无耗散电子传输,为延续半导体工业中的摩尔定律提供了一条重要解决途径。然而,磁杂质掺杂的一个弊端是会带来很强的无序及电、磁学性质的不均匀性,从而导致极低的量子反常霍尔效应实现温度,或干扰一些精细拓扑物性的测量,如马约拉纳零能模等的研究。因此,探索并研究具有确定化学计量比的内禀磁性拓扑材料具有重要的科学意义和应用前景。

同时,在拓扑材料中,有一类节线型拓扑半金属,其中存在能带翻转导致的一维节线型非平庸拓扑电子态和对应的鼓膜状表面态。不同于孤立的拓扑节点,受拓扑保护的一维节线有各种构型,比如直线型,曲线型,环状等。当节线靠近费米能级时,材料会表现出更为新奇的物理性质。理论预言在具有单斜结构(空间群 C2/m, No. 12)的CaP3一类材料(CaP3,SrP3,CaAs3和SrAs3等)中,费米能级附近存在极为简单的节线环拓扑电子结构,并且很快在SrAs3中得到了实验证实。利用磁性原子如Eu替换Sr引入长程磁序,可以研究长程磁序与非平庸拓扑态相互作用。研究团队复旦大学博士生程二建,上海科技大学博士后夏威、博士生房红伟,哈尔滨工业大学博士生石贤彪,在李世燕教授、郭艳峰教授、柳仲楷教授指导下,与中科院强磁场科学中心皮雳研究员、郗传英副研究员合作,借助强磁场电输运测量系统、角分辨光电子能谱测量及第一性原理研究了EuAs3,取得了重要发现:

一、在EuAs3顺磁态,受时间反演对称、空间反演对称及镜面对称性保护,As的4p轨道能带翻转形成的狄拉克线性色散能带的交叉点在布里渊区Y点处围成一个拓扑节线结构(图1);

图1.角分辨光电子能谱测量的EuAs3拓扑节线结构

二、在反铁磁态,EuAs3磁结构中Eu2+磁矩与晶体结构b轴平行或反平行,具有共线性反铁磁基态。在反铁磁态,时间反演对称破缺,自旋轨道耦合会在拓扑节线处打开能隙,在布里渊区Γ点附近形成两个狄拉克点,该非平庸拓扑性可根据理论计算及磁输运分析证实(图2);

图2. 反铁磁态EuAs3磁输运测量及分析

三、对EuAs3施加外磁场,在1.8 K及28.3 T磁场下表现出高达2×105%巨大的不饱和磁阻。此外,在外场下,Eu2+ 磁矩沿着外磁场方向发生自旋极化。对自旋极化态能带计算及测量表明(图3),其费米面在其布里渊区Y点形成两个节线环,对应自旋向上及自旋向下两种状态。对其自旋极化态的强磁场输运及测量结果分析证明电子结构存在非平庸拓扑态。

图3. EuAs3在自旋极化状态下的磁输运及分析

以上研究结果表明,EuAs3内禀的长程磁有序或施加外磁场,均可诱导拓扑相变,展现了丰富的拓扑物性,提供了一个探索磁性与非平庸拓扑态关联的理想平台,并且其巨大磁阻及拓扑物性具有潜在的应用前景。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26482-7