[論文レビュー] Discovery of a quantum limit Chern magnet TbMn6Sn6

Jia‐Xin Yin, Wenlong Ma+24 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用数 35

ひとこと要約

本論文は、Landau量子化、大きなChernギャップを伴うスピン偏極ディラック分散、そして量子極限のChern相を示唆する bulk–edge–Berry 対応を示すトポロジカルなカゴメ磁性体 TbMn6Sn6 の発見を報告する。

ABSTRACT

The quantum level interplay between geometry, topology, and correlation is at the forefront of fundamental physics. Owing to the unusual lattice geometry and breaking of time-reversal symmetry, kagome magnets are predicted to support intrinsic Chern quantum phases. However, quantum materials hosting ideal spin-orbit coupled kagome lattices with strong out-of-plane magnetization have been lacking. Here we use scanning tunneling microscopy to discover a new topological kagome magnet TbMn6Sn6, which is close to satisfying the above criteria. We visualize its effectively defect-free purely Mn-based ferromagnetic kagome lattice with atomic resolution. Remarkably, its electronic state exhibits distinct Landau quantization upon the application of a magnetic field, and the quantized Landau fan structure features spin-polarized Dirac dispersion with a large Chern gap. We further demonstrate the bulk-boundary correspondence between the Chern gap and topological edge state, as well as the Berry curvature field correspondence of Chern gapped Dirac fermions. Our results point to the realization of a quantum-limit Chern phase in TbMn6Sn6, opening up an avenue for discovering topological quantum phenomena in the RMn6Sn6 (R = rare earth element) family with a variety of magnetic structures. Our visualization of the magnetic bulk-boundary-Berry correspondence covering real and momentum space demonstrates a proof-of-principle method revealing topological magnets.

研究の動機と目的

• 平面に対して外向き磁化を持つカゴメ磁性体における内在的Chern量子相の探索を動機づける。
• トポロジー現象に適した欠陥のないMnベースのカゴメ格子を実証する。
• 磁場下でのLandau量子化とスピン偏極ディラック分散を可視化する。
• Chernギャップを持つディラック系のbulk–boundary–Berry曲率対応を確立する。
• TbMn6Sn6をRMn6Sn6族のトポロジカル磁性を探るプラットフォームとして提案する。

提案手法

• 原子分解能でMnベースのカゴメ格子を走査型トンネル顕微鏡で像化する。
• 磁場を印加してLandau量子化を誘導し、量子化されたLandauファン構造を観察する。
• スピン偏極ディラック分散を同定し、Chernギャップを決定する。
• bulk特性とedge状態およびBerry曲率を関連付けて、bulk-boundary-Berry対応を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TbMn6Sn6は内在的なカゴメ磁性を持つ量子極限のChern相を実現できるか。
• RQ2 磁場下でTbMn6Sn6はLandau量子化とトポロジ的に非自明なChernギャップを示すか。
• RQ3 この材料におけるChernギャップを持つディラックフェルミオンについて、実証可能なbulk–boundary–Berry曲率対応が存在するか。
• RQ4 レアアース元素を変えたRMn6Sn6族は、トポロジカル磁性状態のホストとしてどのように振る舞うか。

主な発見

• TbMn6Sn6はトポロジー研究に適した純粋にMnベースの磁性カゴメ格子を有する。
• 電子状態は印加磁場下でLandau量子化を示す。
• Landauファン構造はスピン偏Polarizedディラック分散と大きなChernギャップと関連している。
• Chernギャップとトポロジックエッジ状態とのbulk-boundary対応の証拠。
• Berry曲率の特徴がChernギャップを持つディラックフェルミオンに随伴し、この物質における量子極限Chern相を支持する。