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物理所等证实磁性拓扑半金属EuB6

2021-05-21 物理研究所
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  时间反演对称和能带拓扑的相互作用是拓扑物态研究的关键之一。在时间反演不变体系中,宇称相反的自旋简并能带发生反转会导致非平庸拓扑态的产生,如量子自旋霍尔效应的实现和狄拉克半金属的发现。然而,在磁性材料中,磁有序会破缺时间反演对称,宇称相反的自旋劈裂能带发生反转会产生更多新奇的拓扑态,如量子反常霍尔效应和磁性外尔半金属态,这是当前凝聚态物理领域的前沿热点研究之一。

  2020年,买足彩用什么软件院士、买足彩用什么软件物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员方忠和物理所T03组博士生聂思敏(现为斯坦福大学博士后)、特聘研究员王志俊、研究员翁红明、香港科技大学教授戴希等(Phys. Rev. Lett. 124, 076403 (2020))合作,通过第一性原理计算和低能有效模型分析,预言EuB6在顺磁态是拓扑平庸的窄带隙半导体,进入铁磁态后,时间反演对称破缺,交换场会导致能带劈裂,自旋向上态的能隙减小而自旋向下态的能隙变大,最终自旋向上的能带发生反转,形成磁性拓扑半金属态(图1e)。2002年,Denlinger等人(Phys. Rev. Lett. 89, 157601 (2002))利用角分辨光电子能谱(ARPES),测量了EuB6的电子结构,实验结果显示在顺磁态的能带结构有约1 eV的带隙,与理论计算不符。

  物理所EX7组博士生高顺业和研究员钱天、研究员丁洪,EX10组博士后伊长江和研究员石友国,王志俊、中国人民大学博士生徐升和教授夏天龙、丹麦技术大学博士后李航、斯坦福大学博士后聂思敏等合作,利用同步辐射光源ARPES再次对EuB6的电子结构进行测量,发现EuB6(001)解理面存在Eu和B两种截止面。在Eu截止面上观测到的是悬挂键形成的平庸表面态,与早期的ARPES结果一致。在B截止面上,研究人员观测到体态的能带,与理论计算符合(图2)。研究人员继续测量了B截止面体态能带随温度的变化,观测到伴随铁磁转变发生自旋劈裂和能带反转,在铁磁态形成了时间反演对称破缺的磁性拓扑半金属态(图3)。

  与之前实验证实的磁性拓扑半金属材料相比,EuB6磁性拓扑半金属态的电子结构较理想,能带交叉位于费米能级并且没有其他能带的干扰,有利于相关的拓扑物性的实现和研究,如在二维极限下EuB6薄膜的量子反常霍尔效应。

  相关研究成果发表在Physical Review X 11,021016 (2021)上,论文并列第一作者为高顺业(实验测量)、徐升(样品制备)、李航(实验测量)、伊长江(样品制备),论文共同通讯作者为石友国、夏天龙、钱天。研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委、买足彩用什么软件等的支持。

  论文链接 

图1.EuB6的计算电子结构和磁性质

图2.顺磁态下Eu截止面和B截止面的ARPES实验结果

图3.B截止面的温度依赖ARPES实验结果

图4.铁磁态下B截止面的面内和面外ARPES实验结果

打印 责任编辑:张芳丹

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