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稀土元素Eu(铕)的二价离子Eu2+(4f7, S = J = 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。上海科技大学物质科学与技术学院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 Letters和Physical Review B。
一、EuTe2中压致超导与共存反铁磁序的同步增强 图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(图1b)。T Pc ≈ 6 GPa,ρ(T)在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。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,发现其(001)解理面存在Eu和B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(Y, Z)点存在能带反转,对应 = 1的拓扑绝缘态,与考虑了SOC时理论计算符合(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]及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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