結(jié)合了拓撲、電子性質(zhì)和量子磁性的材料，對它們所展示的量子多體物理以及在電子元件中可能的應(yīng)用都非常令人激動。物理學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)為一種這樣的材料，建立了連接磁性和電子能帶拓撲的微觀機制。狄拉克物質(zhì)是一類有趣的材料，具有有趣的性質(zhì)：這些材料中的電子表現(xiàn)得就像它們沒有質(zhì)量一樣。狄拉克材料最突出的物質(zhì)是石墨烯，但在過去的15年里也發(fā)現(xiàn)了其他物質(zhì)。

每一個都是探索奇異電子行為的豐富游樂場，其中一些可以為電子產(chǎn)品提供新的元件。然而，電子帶的拓撲，以明確的方式連接到材料磁性的例子很少。一種已經(jīng)觀察到拓撲電子態(tài)和磁性之間相互作用的材料是CaMnBi2，但連接兩者的機制尚不清楚。蘇黎世理工大學(xué)固體物理實驗室Leonardo Degiorgi教授光譜組的博士后Run Yang和博士生Matteo Corasaniti與美國布魯克海文國家實驗室和中國科學(xué)院的同事共同在《物理評論快報》上發(fā)表了新研究。

圖示：反鐵磁（上）和反鐵磁傾斜（下），在后一種情況下，自旋相對于易c軸傾斜，導(dǎo)致在垂直于該軸的平面中由鐵磁貢獻（由綠色箭頭表示）。

這一項全面的研究提供了明確證據(jù)，證明對磁矩的輕微推動，即所謂的自旋傾斜，會引發(fā)電子能帶結(jié)構(gòu)的重大變化。CaMnBi2和相關(guān)的化合物SrMnBi2顯示出量子磁性，即錳離子在室溫左右和更低溫度下是反鐵磁性的，同時承載著狄拉克電子?？茖W(xué)家懷疑這兩種性質(zhì)之間存在相互作用，在~50K時，這些材料的導(dǎo)電性質(zhì)出現(xiàn)了意想不到的“凹凸”。但到目前為止，人們對這種反常現(xiàn)象的確切性質(zhì)知之甚少。

在研究光學(xué)性質(zhì)的早期研究中，Corasaniti、Yang和同事已經(jīng)建立了與材料電子性質(zhì)的聯(lián)系，他們利用了這樣一個事實：即通過用鈉取代一些鈣原子，傳輸性質(zhì)中的凸起狀異?？梢栽跍囟壬习l(fā)生變化。為了確定觀察到行為的微觀來源，用扭矩磁力測量法研究了不同鈉摻雜的樣品。在這項技術(shù)中，當磁性樣品暴露在合適的強磁場中時，就像指南針與地球磁場對準一樣，測量磁性樣品上的扭矩，這種方法使研究小組找到了異常的起源。

磁性和電性之間的聯(lián)系

在磁轉(zhuǎn)矩實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在電子輸運測量中沒有觀察到異常的溫度下，磁行為類似于反鐵磁體。然而，在反?，F(xiàn)象顯現(xiàn)的溫度下，出現(xiàn)了鐵磁成分，這可以通過將磁矩投影到與原始反鐵磁秩序的易自旋c軸正交的平面上來解釋，這種現(xiàn)象被稱為自旋傾斜，是由所謂的超級交換機制引起。這兩組實驗（光學(xué)和扭矩測量）得到了第一原理計算的支持。

特別地，在計算中考慮了自旋傾斜的情況下，發(fā)現(xiàn)了錳和鉍原子之間的一種特殊的雜化，它介導(dǎo)了層間磁耦合，并控制了材料中的電子性質(zhì)。綜上所述，這項研究建立了磁性與電子能帶結(jié)構(gòu)變化之間的直接聯(lián)系，這反映在輸運性質(zhì)的凸起反常上。這些發(fā)現(xiàn)打開了探索CaMnBi2和相關(guān)化合物電子性質(zhì)的大門，以及這些有趣的物質(zhì)形式中磁性和拓撲態(tài)之間的聯(lián)系所產(chǎn)生的可能性。

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博科園｜研究/來自：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

參考期刊《物理評論快報》

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