[論文レビュー] Low temperature competing magnetic energy scales in the topological ferrimagnet TbMn6Sn6

S. X. M. Riberolles, Tyler J. Slade+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2021

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ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱とDFT+U計算を用いて、トポロジカルなフェリマグネティック体TbMn6Sn6における競合する磁気的エネルギースケールを明らかにした。強いフェロ磁性Mn-Mn層内結合（約230 meVバンド幅）、支配的である反強磁性Mn-Tb層間結合、および弱い競合するフェロ磁性および反強磁性Mn-Mn層間相互作用が特定され、6.5 meVのスピンギャップを有する剛性ある三次元フェリマグネティックネットワークの安定化が示された。350 Kにおけるスピン再配列により、トポロジカル状態の調整が可能である。

ABSTRACT

TbMn6Sn6 is a metallic ferrimagnet displaying signatures of both topological electrons and topological magnons arising from ferromagnetism and spin-orbit coupling within its Mn kagome layers. Inelastic neutron scattering measurements find strong ferromagnetic (FM) interactions within the Mn kagome layer and reveal a magnetic bandwidth of ~230 meV. The low-energy magnetic excitations are characterized by strong FM Mn-Mn and antiferromagnetic (AFM) Mn-Tb interlayer magnetic couplings. We observe weaker, competing long-range FM and AFM Mn-Mn interlayer interactions similar to those driving helical magnetism in the YMn6Sn6 system. Combined with density-functional theory calculations, we find that competing Mn-Mn interlayer magnetic interactions occur in all RMn6Sn6 compounds with R= Y, Gd-Lu, resulting in magnetic instabilities and tunability when Mn-R interactions are weak. In the case of TbMn6Sn6, strong AFM Mn-Tb coupling ensures a highly stable three-dimensional ferrimagnetic network.

研究の動機と目的

• トポロジカルフェリマグネティック体TbMn6Sn6における磁気的複雑性の起源を理解すること。
• 特に競合する層間Mn-Mn相互作用の優先順位を特定すること。
• Tbの磁気的異方性とMn-Tb結合がフェリマグネティック基底状態を安定化する役割を特定すること。
• 特にスピン再配列転移を介して、磁気的制御によるトポロジカルバンド状態の調整可能性を評価すること。

提案手法

• 低エネルギー磁気励起状態をプローブし、交換結合定数を抽出するために非弾性中性子散乱（INS）が用いられた。
• 電子構造と磁気的相互作用をモデル化するために、局所的クーロン反発（DFT+U）を用いた密度汎関数理論（DFT）計算が実施された。
• INSデータに対してスピン波解析を適用し、スピンギャップおよび異方性パラメータを抽出した。
• TbおよびMnイオンの温度依存的異方性を評価するために、磁気異方性エネルギー（MAE）計算が実施された。
• R Mn6Sn6化合物における磁気的相互作用の一般化可能性を評価するために、YMn6Sn6との比較分析が行われた。
• 理論的モデリングには、FM、AFMおよび異方性項を含むスピンハミルトニアンを用いたINSデータのフィッティングが含まれた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TbMn6Sn6における競合する層間Mn-Mn磁気的相互作用の相対的な強さと符号は何か？
• RQ2 Mn-TbおよびMn-Mn層間結合は、三次元フェリマグネティック状態の安定性にどのように寄与するか？
• RQ3 磁気励起スペクトルに観察された6.5 meVのスピンギャップの起源と大きさは何か？
• RQ4 MnおよびTbイオンは、TbMn6Sn6における一軸磁気的異方性にどの程度寄与しているか？
• RQ5 350 Kにおけるスピン再配列転移は、磁気フラクチュエーションおよびトポロジカルバンド構造の変化と関連しているか？

主な発見

• 強いフェロ磁性Mn-Mn層内結合により、約230 meVの大きな磁気的バンド幅が生じる。
• 支配的である反強磁性Mn-Tb層間結合が、剛性ある三次元フェリマグネティックネットワークの安定化をもたらす。
• 6.5 meVのスピンギャップが20 K未満の温度で集団的スピンフラクチュエーションを抑制し、安定な磁気的基底状態を示している。
• 弱い競合するフェロ磁性および反強磁性Mn-Mn層間相互作用が存在し、YMn6Sn6におけるヘリカル磁性を駆動するのと同様のメカニズムである。
• MnおよびTbイオンの両方が一軸単一イオン異方性を示し、Tbの異方性は温度依存的であり、350 Kのスピン再配列転移と関連している。
• DFT+U計算により、実験的に観測された交換結合の順序が確認され、R Mn6Sn6化合物における磁気的不安定性および調整可能性の役割を果たす競合相互作用の重要性が裏付けられた。