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新萄京科学院物理研究所 SC3组供稿 第17期 2020年03月09日
北京凝聚态物理国家研究中心
磁性外尔半金属Co3Sn2S2红外光谱研究进展

  非磁性外尔半金属TaAs家族材料的发现,使得研究具有手征性的电子态——外尔点,及其导致的新物性、新现象成为可能,受到了广泛的关注,开辟了拓扑半金属研究新方向。因而,实现并研究外尔半金属的另一半,磁性外尔半金属,就显得更为急迫和重要。磁性外尔半金属能够实现具有最少外尔点的最简单外尔半金属,可用于实现具有本征磁性的量子反常霍尔效应,还提供了通过外磁场来调节外尔点及其相关效应的新调控手段,具有十分广阔的应用前景。近期,新萄京科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的刘恩克【Nature Physics 14, 1125 (2018)】和翁红明【Nat. Commun. 9, 3681 (2018)】分别与合作者一起发现Co3Sn2S2是铁磁性外尔半金属,从而完成了外尔半金属的拼图【见澳门新萄京官方网站:时间反演对称破缺-磁性Weyl半金属实验实现】。Co3Sn2S2具有较高转变温度的本征铁磁性、Kagome子格的准二维晶格结构,以及与外尔点相关的反常霍尔效应、反常能斯特效应、电化学催化效应等特性。进一步研究其中磁性对拓扑能带的影响,可为调控拓扑物性、实现多功能量子器件打下基础。

  前期人们主要利用角分辨光电子能谱和扫描隧道谱对Co3Sn2S2进行研究,但这些研究手段主要局限在样品表面少数几层,而红外光谱中的红外光具有较大的穿透深度,可以探测到体内电子的行为。通过实验测量和计算模拟光电导谱σ1(ω),我们可以在较宽的能量和温度范围内获得体内电子的价带、导带及跃迁等关键信息,对以往的谱学研究是一个重要的补充和拓展。物理所邱祥冈研究员指导的博士生杨润、廖知裕与翁红明研究员指导的博士生张坦和周丽琴等合作,在大尺寸高质量Co3Sn2S2单晶样品中,测量了其从4meV到5 eV温度依赖的光电导谱σ1(ω),并利用第一性原理计算了Co原子上不同局域磁矩状态下的能带结构和光电导谱。实验与计算结果一致,解释了光电导谱中随温度变化和不随温度变化的信号的微观能带起源和机制。随着温度降低,Co3Sn2S2进入铁磁态,逐渐增强的磁化使得增强的交换劈裂不断平移自旋极化的能带,导致费米面减小(自由载流子对光电导贡献减小),外尔点和自旋轨道耦合打开的非平庸能隙逐渐靠近费米能级(温度依赖的低能光电导峰),从而使得Berry曲率在布里渊区的积分逐渐增大。由于Berry曲率在布里渊区的积分正比于反常霍尔电导,因此可以很好地解释Co3Sn2S2中反常霍尔电导随温度降低而逐渐增大的行为。

  该研究不仅让我们理解了磁性外尔半金属Co3Sn2S2中磁性对拓扑能带的影响,并且可以指导我们通过调制材料的磁性(在Co位上掺杂更大磁矩的原子)和化学势 (场效应或离子液体调控),在更高的温度下获得更大的反常电/热输运性质,更好的磁光效应等。相关工作发表于Phys. Rev. Lett. 124, 077403 (2020)。

  以上工作得到国家自然科学基金委、科技部、王宽诚教育基金会、北京科学技术委员会和北京自然科学基金会等的支持。

图一:反射率测量示意图(左)和测得的温度依赖的反射率(右)。
图二:Co3Sn2S2温度依赖的电阻率(a),磁化率(b),光电导(c)以及光电导的谱重(c)(相对于300K归一化)表明Co3Sn2S2在177K以下进入铁磁态,并且随着温度的降低光电导表现出明显的温度依赖。
图三:(a-c)第一性原理计算得到的Co原子上不同有效磁矩下对应的能带结构。(d)和(e)分别为顺磁态和铁磁态的费米面。(f)中实线模拟了不同磁性状态下的光电导谱并与实验结果(虚线)做对比。
下载附件>> PRL 124, 077403 (2020).pdf
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