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北京凝聚態物理國家研究中心
M05組供稿
第64期
2020年08月25日
磁性外爾半金屬中局域無序誘發的拓撲能帶調制效應

  作为动量空间中的赝磁场,贝利曲率描述了电子波函数的几何相位。对整个布里渊区中所有占据态电子的贝利曲率积分能够获得内禀的反常霍尔电导 (AHC),即反常霍尔效应内禀贡献。内禀AHC与两个因素密切相关:一是由费米能级EF位置決定的電子占據情況;另一個是EF附近的能帶結構特征。在磁性拓撲半金屬材料中,外爾點和帶能隙的節線環能夠産生拓撲增強的貝利曲率,有望産生巨大的內禀AHC。因此,磁性拓撲半金屬成爲獲得強橫向輸運效應的理想材料。

  近兩年,鐵磁性Shandite化合物Co3Sn2S2被证实是第一个时间反演对称破缺的磁性外尔半金属【E.K. Liu et al., Nat. Phys. 14, 1125 (2018)、Q. Wang et al., Nat. Commun. 9, 3681 (2018);D.F. Liu et al., Science 365, 1182 (2019)、N. Morali et al., Science 365, 1185 (2019)】。该体系在EF附近存在3对外尔点和3对带能隙的节线环,这些拓扑能带结构产生强的贝利曲率,使该材料展现出大的AHC (1130 S/cm)和大的反常霍尔角 AHA (20%)。继而,人们在该磁性拓扑体系中报道了大反常能斯特效应、平带负磁矩效应、拓扑表面态电催化、畴壁大磁电阻、交换偏置、电子关联、自旋激发能隙,以及可能的高温量子反常霍尔效应等物理行为。同时,理论计算显示Co3Sn2S2中的EF處于AHC的最佳(峰值)位置。在剛帶模型下,任何元素的電子摻雜都會使EF上升而導致AHC下降(圖1)。

  最近,彩票二元网/北京凝聚態物理國家研究中心磁学国家重点实验室M05组博士生申建雷(已毕业)、博士生曾庆祺(已毕业)和刘恩克副研究員等,与南方科技大学姚秋石博士和刘奇航副教授等合作,在多电子Ni掺杂的Co3-xNixSn2S2中观察到异常增强的AHC (1380 S/cm),并同时获得增强的AHA (22%)和反常霍尔因子SH (2.3V-1)(图2)。这一异常增强现象无法基于刚带模型来理解。采用TYJ标度关系对反常霍尔效应的内、外禀贡献进行了分离,结果显示内禀AHC为1340 S/cm,表明异常增强的AHC几乎完全来自于内禀贡献(图2)。这意味着无序掺杂对体系的贝利曲率产生了显著影响。值得一提的是,本研究中掺杂引入的异类原子所产生的散射作用使得外禀AHC也有所增强,但增幅较为微弱。

  爲了理解內禀機制增強的原因,采用超胞近似下的反折疊能帶模型對Ni摻雜的Co3-xNixSn2S2進行了理論計算。結果表明(圖3),隨著摻雜量增加EF明顯向上移動,同時能帶發生展寬從而使得自旋-軌道耦合打開的節線環能隙變窄。節線環之間的能隙窄化使得能隙間的貝利曲率增強,且少量Ni摻雜使得EF處于窄化後的能隙中,從而導致了內禀AHC的增強。實驗所得載流子濃度也呈現出與能隙對應的極小值。進一步增加Ni含量,能帶展寬加劇,能隙間貝利曲率更強,但EF移至能隙以上,AHC進而下降。

  本研究中多電子的Ni原子取代Co原子後隨機分布在kagome層上。這種少量異類原子的無序分布會改變傳導電子的局部環境和晶格平移對稱性,從而導致拓撲能帶發生劈裂而展寬,使得拓撲能隙變窄,從而影響了體系的貝利曲率和內禀橫向輸運行爲。

  本研究揭示了掺杂过程中经典刚带模型的局限性,观察到了原子局域无序对电子结构的调制效应,为磁性拓扑材料乃至其他电子材料的精细能带结构和宏观物理性质的化学调控提供了更为准确的理解。相关内容以“Local Disorder-Induced Elevation of Intrinsic Anomalous Hall Conductance in an Electron-Doped Magnetic Weyl Semimetal”为题名发表在国际物理期刊Physical Review Letters上。

  該工作得到了國家自然科學基金(11974394),科技部重點研發計劃(2019YFA0704900、2017YFA0206300),中科院B類先導專項(XDB33000000),北京市自然科學基金(Z190009),合肥科學中心高端用戶基金(2019HSC-UE009)等的支持。

  相關工作鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.086602

图1. (a) Co3Sn2S2的晶體結構和Co/Ni組成的kagome層。(b)電子摻雜後Co3Sn2S2的反常霍爾電導演化示意。

图2. (a)基于TYJ模型拟合分离出10 K的内、外禀反常霍尔电导。(b)体系纵横电导率的TYJ模型拟合。(c)实验获得的反常霍尔角AHA和反常霍尔因子SH

图3. (a) Co3Sn2S2的能带结构。(b)和(c) x = 0.056和0.167的等效能带结构。(d) x = 0、0.056、0.167的理论计算霍尔电导的能量分布。(e) 理论计算和实验分离的内禀反常霍尔电导以及载流子浓度实验分离值(存在一个极小值)。(f)无序掺杂对体系电子能带结构和内禀反常霍尔电导的调制示意图。