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bv1946手机版:科研进展|物态纷呈,“铕”你最好!

来源:bv1946手机版 时间:2022-11-22浏览:10设置

     稀土元素Eu(铕)的二价离子Eu2+(4f7J = 7/2)具有局域磁矩,局域磁矩极易与传导电子发生作用,导致如近藤效应、重费米子等有趣的物理现象。同时,局域磁矩自旋方向也易被外磁场调控,可诱导磁相变,进而通过自旋-轨道耦合(SOC)影响电子能带,带来丰富的物理性质。bv1946手机版bv1946手机版郭艳峰课题组近几年在Eu基磁性材料方向取得了系列进展(注1)。近日与合作者在该方向又取得重要进展,相关工作分别发表于Nature Communications、Physical Review LettersPhysical Review B。

  

一、EuTe2中压致超导与共存反铁磁序的同步增强

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1、 EuTe2常压下结构和物性:(a)晶体结构示意图,(b) A型反铁磁结构,(c)倾斜反铁磁结构,及(d)不同磁场下的电阻率曲线,插图为5K时的磁阻曲线。

EuTe2具有如图1a所示CuAl2型晶体结构。常压下,EuTe2呈现半导体特性,在奈尔温度TN ≈ 11 K发生反铁磁相变(1b)。T TN时,沿c轴方向施加外磁。Eu2+磁矩会首先在HcSF ≈ 2-3 T发生突然的自旋翻转(图1c,然后在更高磁场HcSP ≈ 7.6 T完全铁磁极化,造成低温下出现磁场诱导的半导体-金属转变,表现出巨磁阻效应(1d)。

EuTe2能隙约为14-16 meV,适于利用高压调控其自旋-电荷耦合及磁电基态。高压测量显示(图2),虽然EuTe2 单晶在0-11.5 GPa范围内电阻率ρ(T)随压力增加而逐渐减。窃11.5 GPa时仍保持半导体行为,而TN随压力增加而单调升高,11.5 GPa时升至约30 K。此外,当压力P Pc ≈ 6 GPa,ρ(T)3-5 K出现超导转变,超导转变温度Tc随加压逐渐升高。测量揭示Pc附近超导态的零温Hc2(0)非常接近甚至超过弱耦合的泡利顺磁极限HP = 1.84Tc,说明EuTe2中的超导态具有强耦合或非常规配对机制。高压同步辐射XRD测试结果排除了Pc附近结构相变,因此高压下EuTe2的物性演化与Te-5p能带的展宽和Eu2+磁交换作用的增强应有密切联系,即加压使Te-5p能带提供了更多的载流子,这些载流子在高温时通过间接交换作用增强了Eu2+离子之间的交换作用,同时在低温又形成库珀对。

    该工作发表在国际知名期刊Nature Communications [1],上科大副教授郭艳峰、中科院物理研究所王铂森副研究员、程金光研究员为共同通讯作者。

二、EuB6中自发磁化诱导的拓扑相变
时间反演对称和能带拓扑的关联是拓扑物理研究的关键问题之一。在磁性拓扑材料中,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,比如量子反常霍尔效应、磁性外尔半金属态等。

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3、EuB6晶体结构与能带结构。(a)晶体结构示意图;(b)体态能带及向(001)投影的布里渊区表面态;(c)不考虑SOC时顺磁态体带;(d)X(YZ)点能带反转及交点放大情况;(e)时间反演对称破缺导致的新拓扑态。“+”和“-”分别代表偶宇称奇宇称,“”和“”分别代表自旋向上和自旋向下。黑色能带是自旋劈裂的能带,红色和蓝色分别代表自旋向上及向下的能带。不考虑SOC,自旋劈裂的能带形成Dirac节线。考虑SOC,根据磁对称性,可以是拓扑节线半金属或者外尔半金属。

第一性原理计算和低能有效模型分析的结果预言“软磁”材料EuB6(如图3a所示CsCl-型结构,空间群Pm3m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,交换场导致能带劈裂,形成磁性拓扑半金属态(图3)。合作团队利用高分辨角分辨光电子能谱(ARPES及第一性原理计算研究其电子结构,发现001解理面存在EuB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;在B截止面上观测到了体态能带,发现顺磁态EuB6布里渊区三个X(YZ)点存在能带反转,对应 = 1的拓扑绝缘态,与考虑了SOC理论计算符合(图3)。B截止面体态能带随温度发生变化,在铁磁态形成了时间反演对称破缺的磁性拓扑半金属态,其非平庸的拓扑不变量χ = 1保证了该体系能隙不能全部打开。

理论计算还表明,EuB6时间反演对称破缺以后,沿着不同磁化方向,该体系可以是外尔型拓扑节线半金属或者外尔半金属(图3)。由于铁磁态电子结构中的拓扑态无法利用ARPES直接测量,课题组与合作者结合磁输运测量及第一性原理计算,测量并分析了该体系的反常霍尔效应,确认其反常霍尔效应源于非平庸拓扑态的本征性质。

以上研究表明,EuB6是研究时间反演对称破缺与非平庸拓扑态关联的理想体系。

    相关工作分别发表在国际知名期刊Physical Review Letters[2]Physical Review B[3]。文章[2]中,上科大与微系统所联合培养博士生刘万领、郭艳峰课题组博士生张鑫、斯坦福大学博士后聂思敏、微系统所副研究员刘正太为共同第一作者,上科大副教授郭艳峰、中科院物理研究所王志俊研究员、微系统所沈大伟研究员为通讯作者。文章[3]中,上科大郭艳峰课题组博士生袁健、哈工大深圳分校石贤彪博士为共同第一作者,助理教授刘健鹏和副教授郭艳峰为通讯作者。  

注1:

APL Mater. 2020, 8: 011109. 编辑推荐。链接:https://doi.org/10.1063/1.5129467

PRB 2019, 100: 201102(R). 编辑推荐链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.201102

Nat. Commun. 2021, 12: 6970. 链接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-26482-7


论文链接:

论文1:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30718-5

论文2:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.166402

论文3:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.106.054411


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