强磁场条件下科研人员解析出不同类型磁性拓扑半金属的磁结构

tanlun

近日，中科院合肥研究院强磁场中心朱文卡副研究员、张蕾研究员，与华中科技大学田召明教授、安徽大学刘威博士等合作，利用稳态强磁场实验装置，解析出不同类型磁性拓扑半金属的磁结构。相关高场实验数据借助高场磁性测量系统在水冷磁体WM5上完成。相关研究成果分别以“Criticalbehavior of the magnetic Weyl semimetal PrAlGe”和“Field-induced tricritical phenomenon and multiple phases in DySb”为题发表在Physical Review B上。
　　拓扑半金属是近几年凝聚态物理研究的热点。对于磁性拓扑半金属而言，磁性可以产生并调控外尔点，使得这类材料成为研究外尔物理和磁性之间联系的理想平台。并且，越来越多的研究表明：磁结构和磁耦合对于各种拓扑非平庸量子态的形成和演化至关重要，磁性和拓扑非平庸态之间的联系已经在很多磁性拓扑材料中被证实。但由于缺少合适或者高质量的单晶以及实验手段的制约，大多数理论预言的磁性拓扑半金属仍然未被实验证实。因此，新型磁性拓扑半金属的探索和研究，对于认识磁性拓扑材料非常重要。

（a）PrAlGe的晶体结构和磁结构；（b）高场下的M(H)曲线；（3）角度依赖的磁化强度曲线；（d）高场下的等热临界拟合分析。

　　DySb的H-T相图及其所对应的磁结构

　　鉴于此，在本研究中，研究人员对磁性拓扑半金属材料PrAlGe和DySb的高质量单晶展开了深入研究。
       在PrAlGe中，本征磁有序充当塞曼耦合使得自旋向上和自旋向下的能带发生劈裂，但是整体能带结构并未改变。对其磁性的研究揭示了该体系中的低维磁性耦合（2D-Ising类型）。进一步，研究人员解析出了PrAlGe的磁结构：磁矩在c方向为铁磁排列，但是具有在ab面内的反铁磁分量。
       对于DySb晶体，磁场沿着不同的晶向时，表现出复杂的磁场诱导相变，并且理论预言其磁性半金属态存在于铁磁相中，然而两个反铁磁相对应的拓扑态仍难以确定。因此，研究人员聚焦于H//[001]的丰富磁性相变。研究结果揭示了该体系中存在磁场诱导的三重临界现象。基于不同磁结构的解析，研究人员构建了DySb详细的磁场-温度相图，表明其中的自旋耦合存在着微妙的竞争和平衡。
      该研究结果对于理解拓扑半金属体系中的磁性和拓扑性质之间的联系具有重要意义。
　　本工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、大科学中心高端用户基金、安徽省高校基金等的资助，还得到了强磁场安徽省实验室的支持。
　　文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.214401
　　                 https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.102.174417
       文章来源：合肥研究院


       张蕾，研究员，博士研究生导师。2009年毕业于中国科学技术大学微尺度实验室，并获得凝聚态物理博士学位，随后加入强磁场科学中心，2015任强磁场中心研究员。曾获得中国科学技术大学 “光华奖学金”、“中国科学技术大学优秀毕业生”等荣誉称号。主要从事相变、磁有序、自旋电子学等材料的研究，已发表科研论文130余篇。主要从事凝聚态物理强关联电子体系的研究，研究领域包括磁有序材料、金属绝缘转变材料、自旋阻挫材料等。目前已发表SCI学术论文130余篇，发表论文包括JACS，PRL，PRB，APL等，其中第一作者和通讯作者40余篇。多篇文章被选为期刊的编辑推荐文章（EPL Editor’ choice）。作为项目负责人主持了国家自然科学基金大科学装置联合基金项目、面上项目、青年基金项目、中科院知识创新工程青年人才领域前沿项目等，并参与了国家重点研发计划、联合基金重点项目等多个科研项目。其中，中科院知识创新工程青年人才领域前沿项目结题获得优秀。担任Nanoscale, Physical Chemistry Chemical Physics, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Physica B等国际学术期刊的论文审稿人。