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北京凝聚態物理國家研究中心
SC8組供稿
第63期
2020年08月24日
外爾費米子與鐵磁自旋波共舞

  外爾半金屬的費米面有且僅有孤立的能帶交叉點構成,因而其低能激發的准粒子可以用描述外爾費米子的外爾方程來刻畫,具有外爾費米子的零質量、確定手性等特征。雖然自由粒子形式的外爾費米子至今未能被實驗確認,但在外爾半金屬中卻能夠實現外爾費米子形式的准粒子,這爲研究外爾費米子的行爲提供了新的途徑。固體中的外爾費米子准粒子還具有不同于真空中真實粒子的獨特物理性質和新奇現象,譬如費米弧和手性反常導致的磁阻效應、內禀反常霍爾效應、三維量子霍爾效應等。因此,首個非磁性外爾半金屬TaAs家族材料的發現具有重要科學意義,極大地推動了外爾半金屬的研究進展。另一類破壞時間反演對稱性的磁性外爾半金屬在近期也得到了材料實現和密切研究。

  首個實驗確認的磁性外爾半金屬Co3Sn2S2于2018年被提出【見科研進展:新型磁性Weyl半金屬的發現及其巨反常霍爾效應】,並被相關譜學實驗證實【見科研進展:時間反演對稱破缺-磁性Weyl半金屬實驗實現】。目前,Co3Sn2S2已經成爲磁性拓撲物理前沿研究的一個重要平台。Co3Sn2S2属于Shandite化合物,其中Co原子构成层状kagome结构,具有c方向极化的面外铁磁序,磁矩强度为0.3 μB/Co,居里温度约为175 K。能带拓扑结构中,有三对外尔费米点靠近费米能级(图1)。由于外尔费米子可当作是动量空间的赝磁场——贝利曲率的磁单极子,它们将影响实空间中电子的运动,譬如产生内禀反常霍尔效应等。拓扑效应主导的内禀反常霍尔电导能抵御材料缺陷和外部热扰动的破坏,具有很高的稳定性,有利于量子器件的应用。在磁性外尔半金属中,内禀反常霍尔电导与一对手性相反的外尔费米子在动量空间的间距基本成正比,并与外尔费米子到费米能级的远近有关。磁性状态的变化能够影响电子结构,进而使得外尔费米子的位置和能量产生变化。可以预想,当材料中有序排列的磁矩因集体运动产生自旋波时,内部的外尔费米子也将随之被扰动,从而使得反常霍尔电导也受到影响。反过来说,外尔费米子作为动量空间的磁单极子,借助系统的自旋-轨道耦合效应,其中的自旋波色散也将受其影响,体现为材料中自旋波的刚度(或斜率)和能隙的温度依赖行为与外尔费米子有内在关联(图2)。

  最近,彩票二元网/北京凝聚態物理國家研究中心SC8组罗会仟副研究員指导的博士生刘畅,与M05组刘恩克副研究員指导的博士生申建雷、T03组翁红明研究員指导的博士生高嘉成、EX10组石友国研究員指导的博士生伊长江等密切合作,利用非弹性中子散射精细测量了Co3Sn2S2单晶的低能自旋波,并用唯象理论模型分析了其自旋相互作用和自旋波能隙的温度依赖关系等。他们发现,不同于材料的准二维晶体结构,其铁磁自旋波在低温下具有明显的三维特征,即在ab面内和c方向均存在不同程度的色散(图3),表明该体系具有三维磁交换作用,且层间强度是层内的一半。类似的色散延续到高温顺磁态中,表明了体系具有中等程度的三维自旋关联效应。数值计算结果很好地印证了这一结论,并估算出与实验值接近的居里温度和自旋波刚度,其磁各向异性能约为0.6 meV。然而,高精度的中子散射测量表明,在4 K温度下,自旋波能隙完全打开,高达2.3 meV。详细的温度依赖关系表明,自旋波能隙并不完全服从铁磁序参量的行为,而必须充分考虑反常霍尔电导的影响,体现了外尔费米子与自旋波的相互影响(图4)。此前,在SrRuO3中的研究表明非單調溫度依賴自旋波剛度和能隙與反常霍爾電、導率行爲很類似,但是該材料尚未有關于外爾費米子的確鑿譜學證據。而在其他一些磁性拓撲半金屬候選材料中,自旋波與拓撲費米子是否存在耦合仍存有較大爭議。該研究不僅給出了磁性外爾半金屬Co3Sn2S2中的磁性相互作用參數等關鍵信息,而且明確表明電子拓撲態與自旋動力學之間存在互相影響,這爲理解磁性拓撲材料提供了物理基礎,並以此啓發了該材料體系拓撲物態調控的可能思路。

  上述研究工作于2020年6月24日被SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA)正式接收,并于8月24日提前在线发表【C. Liu, J. Shen, J. Gao et al., Sci. China-Phys. Mech. Astron. 64, 217062 (2021)】。该工作得到了SCPMA期刊主编谢心澄院士的推荐(Editor’s Focus),并被选为2021年1月封面文章,同期发表来自以色列魏兹曼研究所Binghai Yan题为“Weyl monopoles dance with the spin waves”的点评文章。

  以上中子散射实验在澳大利亚中子散射中心Taipan和Sika两台三轴谱仪上完成,得到了谱仪科学家Sergey Danilkin和 Guochu Deng的帮助。该研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划、中科院B类先导专项、中科院青促会等项目的支持。

  論文链接:https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/64/1/10.1007/s11433-020-1597-6?slug=fulltext


图1. (a)Co3Sn2S2的晶体结构和铁磁结构。(b) 外尔费米子在动量空间位置。


图2. 外尔费米子与自旋波共舞


圖3.Co3Sn2S2的自旋波在ab面(H方向)和c方向(L方向)的色散。


图4. Co3Sn2S2的自旋波能隙及其隨溫度的演化,其中虛線爲參照鐵磁序參量擬合結果(b=0),紅色空心點爲考慮反常霍爾電導貢獻之後的數據擬合結果(b≠0)。