[論文レビュー] Intriguing magnetism of the topological kagome magnet TbMn_6Sn_6

C. Mielke, Wenlong Ma+25 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ムオンスピン回転（μSR）、中性子回折、および電気的輸送を用いて、カゴメ格子材料TbMn₆Sn₆の磁気的およびトポロジカル性質を調査した。20 K未塔で、動的から静的へと垂直方向のフェリマグネチック秩序に移行する温度依存的変化が同定され、これがトポロジカルな電子状態を安定化させる上で不可欠である。顕著なことに、2.1 GPaの水圧を加えることで、完全に静的でトポロジカルなフェリマグネチック基底状態が形成され、トポロジカル応答のチューニングが可能になる。

ABSTRACT

Magnetic topological phases of quantum matter are an emerging frontier in physics and material science. Along these lines, several kagome magnets have appeared as the most promising platforms. Here, we explore magnetic correlations in the transition-metal-based kagome magnet TbMn$_{6}$Sn$_{6}$ using muon spin rotation, combined with local field analysis and neutron diffraction. Our results show that the system exhibits an out-of-plane ferrimagnetic structure $P6/mm'm'$ (comprised by Tb and Mn moments) with slow magnetic fluctuations below $T_{ m C2}$~=~320~K. These fluctuations exhibit a slowing down below $T_{ m C1}^{*}$~${\simeq}$~120~K, and we see the formation of static patches with ideal out-of-plane order below $T_{ m C1}$~${\simeq}$~20~K which grow in a volume with decreasing temperature. The appearance of the static patches has a similar onset to the interesting phenomenon such as spin-polarized Dirac dispersion with a large Chern gap and topological edge states. We further show that the temperature evolution of the anomalous Hall conductivity (AHC) is strongly influenced by the low temperature magnetic crossover. Our presented experimental results show that the onset of the topological electronic properties tied to the Dirac band is promoted only by true static out-of-plane ferrimagnetic order in TbMn$_{6}$Sn$_{6}$ and is washed out by the slow magnetic fluctuations above $T_{ m C1}$~${\simeq}$~20~K. Remarkably, hydrostatic pressure of 2.1 GPa stabilises static out-of-plane topological ferrimagnetic ground state in the whole volume of the sample. Therefore the exciting perspective arises of a magnetic system in which the topological response can be controlled, and thus explored, over a wide range of parameters.

研究の動機と目的

• トポロジカルなカゴメ格子磁性体TbMn₆Sn₆における磁気秩序およびフラクチュエーションの理解を図ること。
• 磁気秩序が、ディラックバンドやチーンギャップのようなトポロジカルな電子状態を安定化させる役割を特定すること。
• 外部圧力がこの系における磁気的およびトポロジカルな相に与える影響を調査すること。
• 静的磁気秩序の発生とトポロジカルホール効果および異常ホール電導度の出現との相関を明らかにすること。
• ムオンスピン回転および中性子回折を用いて、磁気構造および相転移を解明すること。

提案手法

• 1.8 Kまで低下する低温での局所的磁場および動的フラクチュエーションを調べるため、ムオンスピン回転（μSR）を用いた。
• 粉末中性子回折（NPD）および単結晶中性子回折を用いて、磁気構造および格子定数を決定した。
• 外部磁場を印加した状態での場依存中性子回折を実施し、スピン再配列転移を検出した。
• 長距離磁気秩序の発生および内部磁場分布の評価を目的として、ゼロ場μSR測定を実施した。
• 温度依存的な異常ホール電導度（AHC）の分析により、電子輸送と磁気秩序との関連を検証した。
• 水圧（2.1 GPa）を印加して磁気相をチューニングし、均一で完全に静的なトポロジカルフェリマグネチック状態を安定化させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TbMn₆Sn₆における磁気基底状態の性質は何か。また、温度に伴ってどのように変化するか。
• RQ2 20 K未塔の動的磁気フラクチュエーションは、トポロジカルな電子状態の出現にどのように影響するか。
• RQ3 静的垂直方向フェリマグネチック秩序が、トポロジカルホール効果およびチーンギャップの安定化に果たす役割は何か。
• RQ4 水圧を用いてTbMn₆Sn₆に完全に静的なトポロジカルフェリマグネチック状態を誘発できるか。
• RQ5 異常ホール電導度の温度依存的変化は、磁気相転移とどのように相関するか。

主な発見

• TbMn₆Sn₆は、$T_{\rm C1} \backsimeq 20$ K未塔で空間群 $P6/mm'm'$ の静的垂直方向フェリマグネチック構造を示す。
• $T_{\rm C2} = 320$ K未塔で、ゆっくりとした磁気フラクチュエーションが観察され、$T_{\rm C1}^* \backsimeq 120$ K未塔でその速度が低下する。
• 20 K未塔で温度が低下するにつれて、理想的な垂直方向秩序を持つ静的磁気パッチの体積が増加する。
• トポロジカルな電子状態（スピン極化ディラック分散および大きなチーンギャップ）の出現は、静的垂直方向秩序の形成と一致する。
• 異常ホール電導度（AHC）は、低温での磁気的クロスオーバーに強く影響を受けており、磁気秩序と直接的な関連があることが示唆される。
• 2.1 GPaの水圧により、試料全体にわたって均一で完全に静的かつ垂直方向のトポロジカルフェリマグネチック基底状態が安定化される。