Nature:探寻量子拓扑磁铁
殷嘉鑫 2020-07-23
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第一作者:殷嘉鑫,马文龙,Tyler A. Cochran, 许锡童

通讯作者:殷嘉鑫,贾爽,M. Z. Hasan

通讯单位:普林斯顿大学,北京大学

 

研究亮点:

研究发现TbMn6Sn6是一个量子拓扑磁铁,具有纯净的磁性kagome晶格,三位一体的拓扑体态——边缘态——贝里曲率场。

 

量子磁铁的重要性和研究难点

上世纪八十年代由诺贝尔奖获得者Klaus von Klitzing发现的量子霍尔效应是人类第一次观测到物质的拓扑量子态。从那时起,理论数学中的一个名为拓扑的分支第一次从根本上改变了我们对构成周围世界的事物的描述方式,物理学家开始对物质的拓扑态进行了深入研究。目前已经发现了许多具有拓扑电子结构的新型材料,包括拓扑绝缘体和狄拉克/外尔半金属。


然而,当前所探索的大多数材料都是非磁性的,而一些前沿的理论预测拓扑磁体可能会有更为新奇的量子性质,以及更好的应用前景。1988年,诺贝尔奖获得者物理学家Duncan Michael Haldane在这个方向率先提出了开创性的概念,此后称为Haldane模型 [PRL 61, 2015–2018 (1988)]2005年,宾夕法尼亚大学Charles Kane和Eugene Mele教授进一步发表了见解,指出自旋轨道效应对于实现Haldane模型非常重要[PRL 95, 226801 (2005)]。终于在2011-2015年,麻省理工学院的文小刚和斯坦福大学的张首晟教授等人分别进一步预测,具有Kane-Mele自旋轨道效应和面外铁磁性的kagome(竹笼)晶体有望在高温实现Haldane长期寻求的新奇拓扑态[PRL 106, 236802 (2011), PRL 115, 186802 (2015)]


然而,这些材料的合成和实验验证还有着巨大的困难:理论预言的一些kagome材料很多都无法合成,kagome材料的复杂磁性往往超出了理论的预期,实验上无法测量到直接与拓扑态有关的信号等等。近年来,普林斯顿大学和北大的学者以及他们的合作者们将Haldane-Kane/Mele-Wen/Zhang的理论与先进的晶体生长和测量仪器相结合,终于破解了这个难题。

 

成果简介

通过对几种kagome磁体家族系统研究【1-3】,研究团队逐渐意识到,TbMn6Sn6具有理想的晶体结构,具有化学组分纯净且空间分离的kagome晶格层。此外,它独特地具有强大的面外磁化强度。他们成功合成了大块高质量TbMn6Sn6单晶,并利用低温强磁场扫描隧道显微镜成功捕捉到了长期探求的量子拓扑信号。

 

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1. 量子拓扑磁铁TbMn6Sn6具有铁磁性的kagome晶格,可量子化的电子态包括一个磁性的狄拉克锥和一个Chern能间隙,以及拓扑边缘态。


要点1:原子尺度观测到纯净的磁性kagome晶格

如图2,实验人员利用具有扫描隧道显微镜在原子尺度下测量了TbMn6Sn6的解离面,他们发现由磁性Mn原子构成的kagome面几乎没有任何缺陷。这样纯净的磁性kagome晶格为探测量子拓扑态提供了有利条件。

 

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 2. 纯净磁性kagome晶格的实现。

 

要点2:Kagome电子的拓扑量子化能级

实验人员进一步测量kagome晶格的电子态 (图3)。他们发现在引入磁场后,电子形成量子化能级。对能级的理论分析揭示出系统存在一个磁性的狄拉克锥以及一个Chern(陈数)能隙, 表明kagome晶格具有磁性拓扑性质。


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 3. Kagome电子的拓扑量子化能级。

 

要点3:Kagome电子的拓扑边缘态和贝里曲率

实验人员进一步研究kagome晶格的边缘电子态 (图4)。他们发现边缘态存在于体态的Chern能隙内,并且不受杂质散射,表明是拓扑边缘态。实验人员同时也研究了谱学测量数据推测的贝里曲率以及其相应的输运相应,他们发现与实际的输运测量信号是一致的,再次验证了材料的拓扑性质。


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 4. Kagome电子的拓扑边缘态和贝里曲率。

 

小结

研究发现TbMn6Sn6是一个量子拓扑磁铁,为研究RMn6Sn6 (R是稀土金属元素)体系的其他材料的量子或拓扑性质提供了参照。提出了“体测量—边缘测量贝里曲率测量”三位一体的一种普适的研究磁性拓扑材料的研究方法。

 

后记

普林斯顿和北大研究团队以及他们的合作者们近些年来一直致力于kagome磁体的矢量磁场下的谱学和输运测量,为快速识别这个新型拓扑磁体奠定了方法学基础。尤为难得的是,一般拓扑材料的发现都是依靠第一性原理的预测,而他们发现的这种材料事先并未被第一性原理理论预言,因此具有很强的实验原创性。因为文章原创性很高,投稿的第二天就被Nature编辑送审。虽然团队以及在该领域内发表过多篇权威文章,作者勇敢采用了双盲的审稿方式,以期与审稿人以及编辑一起对这个科学发现进行充分的探讨。发表的文章还包了大量拓展数据,对文章的发现进行了多方向拓展。研究过程中,作者有幸和拓扑磁体的理论创始人,普林斯顿大学诺奖获得者Haldane先生一起研究了他们的发现,得到了Haldane先生的理论指点。目前团队正设计新的实验希望进一步加深对拓扑磁体的实验阐释以及应用推广。

 

参考文献及原文链接:

1】Jia-Xin Yin, et al. Giant and anisotropic many-body spin-orbit tunability in a strongly correlated kagome magnet. Nature 562, 91-95 (2018).

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0502-7

2】Jia-Xin Yin, et al. Negative flat band magnetism in a spin-orbit coupled correlated kagome magnet. Nature Physics 15, 443 (2019).

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0426-7

【3】Yin, J., Ma, W., Cochran, T.A. et al. Quantum-limit Chern topological magnetism in TbMn6Sn6. Nature 583, 533–536 (2020). https://www.nature.com/articles/s41586-020-2482-7#article-info

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