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物理所等證實磁性拓撲半金屬EuB6

發布時間:2021/5/24 16:42:57編輯:Ma Liang
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            時間反演對稱和能帶拓撲的相互作用是拓撲物態研究的關鍵之一。在時間反演不變體系中,宇稱相反的自旋簡并能帶發生反轉會導致非平庸拓撲態的產生,如量子自旋霍爾效應的實現和狄拉克半金屬的發現。然而,在磁性材料中,磁有序會破缺時間反演對稱,宇稱相反的自旋劈裂能帶發生反轉會產生更多新奇的拓撲態,如量子反;魻栃痛判酝鉅柊虢饘賾B,這是當前凝聚態物理領域的前沿熱點研究之一。
  2020年,中國科學院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員方忠和物理所T03組博士生聶思敏(現為斯坦福大學博士后)、特聘研究員王志俊、研究員翁紅明、香港科技大學教授戴希等(Phys. Rev. Lett. 124, 076403 (2020))合作,通過第一性原理計算和低能有效模型分析,預言EuB6在順磁態是拓撲平庸的窄帶隙半導體,進入鐵磁態后,時間反演對稱破缺,交換場會導致能帶劈裂,自旋向上態的能隙減小而自旋向下態的能隙變大,最終自旋向上的能帶發生反轉,形成磁性拓撲半金屬態(圖1e)。2002年,Denlinger等人(Phys. Rev. Lett. 89, 157601 (2002))利用角分辨光電子能譜(ARPES),測量了EuB6的電子結構,實驗結果顯示在順磁態的能帶結構有約1 eV的帶隙,與理論計算不符。
  物理所EX7組博士生高順業和研究員錢天、研究員丁洪,EX10組博士后伊長江和研究員石友國,王志俊、中國人民大學博士生徐升和教授夏天龍、丹麥技術大學博士后李航、斯坦福大學博士后聶思敏等合作,利用同步輻射光源ARPES再次對EuB6的電子結構進行測量,發現EuB6(001)解理面存在Eu和B兩種截止面。在Eu截止面上觀測到的是懸掛鍵形成的平庸表面態,與早期的ARPES結果一致。在B截止面上,研究人員觀測到體態的能帶,與理論計算符合(圖2)。研究人員繼續測量了B截止面體態能帶隨溫度的變化,觀測到伴隨鐵磁轉變發生自旋劈裂和能帶反轉,在鐵磁態形成了時間反演對稱破缺的磁性拓撲半金屬態(圖3)。
  與之前實驗證實的磁性拓撲半金屬材料相比,EuB6磁性拓撲半金屬態的電子結構較理想,能帶交叉位于費米能級并且沒有其他能帶的干擾,有利于相關的拓撲物性的實現和研究,如在二維極限下EuB6薄膜的量子反;魻栃。
  相關研究成果發表在Physical Review X 11,021016 (2021)上,論文并列第一作者為高順業(實驗測量)、徐升(樣品制備)、李航(實驗測量)、伊長江(樣品制備),論文共同通訊作者為石友國、夏天龍、錢天。研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委、中科院等的支持。
  
 
圖1.EuB6的計算電子結構和磁性質
 
圖2.順磁態下Eu截止面和B截止面的ARPES實驗結果
 
圖3.B截止面的溫度依賴ARPES實驗結果
 
圖4.鐵磁態下B截止面的面內和面外ARPES實驗結果

微信號:ayiwangapp17

(來源: 中國科學院科技產業網 )

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