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研究揭示磁性拓撲絕緣體豐富物性
文章来源: 朱相德 发布时间: 2021-09-10

  近日,中科院闲来麻将强磁场中心联合安徽大学利用稳态强磁场实验装置相关实验平台,在磁性拓扑绝缘体物性研究方面取得新进展。相关论文以“Magnetic properties of the layered magnetic topological insulator EuSn2As2”爲題發表在Physical Review B上

  本征磁性拓撲絕緣體相比于稀磁摻雜的拓撲絕緣體組分更加均勻,更容易在相對高的溫度範圍內實現量子反常霍爾效應等豐富量子物態,成爲近幾年凝聚態物理領域研究的熱點。近年來,基于MnBi2Te4家族本征磁性拓撲絕緣體的奇異量子物態探索取得了很大進展,比如量子反常霍爾效應、軸子絕緣態以及它們之間的量子轉變等。EuSn2As2是除MnBi2Te4家族以外少數已經理論預言和研究證實的本征磁性拓撲絕緣體。EuSn2As2具有穩定結構相和准二維層狀結構,其低溫磁基態是A型反鐵磁結構。EuSn2As2內部磁有序與拓撲電子態相互作用可能導致豐富的量子態,但實驗上奇異量子效應的實現還未達到人們預期。

  研究團隊通過自助溶劑方法制備出高質量EuSn2As2單晶,開展了高磁場下的磁化強度和電輸運性質研究。前期試驗發現EuSn2As2的磁化強度在磁場約3-5特斯拉區域出現磁化平台,但隨著磁場增大到7特斯拉,研究人員發現仍有繼續上翹的迹象。利用強磁場中心穩態強磁場實驗裝置的低溫測量平台,研究團隊得以將磁化測量和電輸運的最高磁場拓展到16特斯拉。研究發現在溫度2開爾文,磁場方向平行于c軸時,磁化強度曲線在磁場大小爲4.6特斯拉時出現磁化平台,磁化強度大小約爲~5.6μB/Eu,這與之前的報道結果一致。但隨著磁場進一步增大,磁化強度曲線緩慢上翹,在磁場爲10特斯拉時基本飽和(大小~6.6μB/Eu),産生第二個磁化平台並一直持續到最高磁場14特斯拉。與此同時,磁阻曲線也在相應的臨界磁場處産生拐點,隨著磁場增大從負磁阻轉變爲正磁阻(如圖(a)和(b)所示)。當磁場方向平行于ab面時,觀察到類似的磁化強度與磁阻現象(如圖(c)和(d)所示)。

       这些结果说明随着磁场的增大,EuSn2As2經曆了複雜的磁相變,從低磁場A型反鐵磁態轉變爲傾斜的鐵磁態,隨著磁場的進一步增大最終轉變爲完全極化的鐵磁態,這與MnBi2Te4家族的磁相變非常類似。這爲理解EuSn2As2在高磁場下的磁結構以及電輸運性質提供了實驗基礎,豐富了EuSn2As2的磁結構相圖。此外,霍爾電阻測量還在磁相變臨界磁場處觀察到了反常的霍爾電阻現象,說明EuSn2As2內部局域磁有序與輸運電子態之間的耦合是不可忽略的,這也爲後續探索和調控量子反常霍爾效應等新奇量子現象提供了積極信號。

  安徽大學與強磁場中心聯合培養博士生李慧傑(導師爲田明亮研究員)爲本論文第一作者,安徽大學高文帥副教授、強磁場中心朱相德研究員爲共同通訊作者。本研究工作得到了國家重點研發計劃、大科學裝置聯合基金、國家自然科學基金和中科院青年創新促進會等基金的支持。

  論文鏈接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.054435 

   

   (a)和(b):磁場平行于c軸時,不同溫度下的磁化強度曲線和磁阻曲線。

  (c)和(d):溫度爲2K,磁場分別平行于c軸和ab面時的磁化強度曲線和磁阻曲線。

   
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