[논문 리뷰] Discovery of a quantum limit Chern magnet TbMn6Sn6

Jia‐Xin Yin, Wenlong Ma외 24명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 08.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 38인용 수 35

한 줄 요약

본 논문은 Landau 양자화, 큰 Chern 간극을 갖는 스핀 편향 디랙 분산, 그리고 양자 극한 Chern 위상을 시사하는 벌크–에지–Berry 대응을 보이는 토폴로지적 카고메 자성 TbMn6Sn6의 발견을 보고한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 평면 외 방향으로 자기화된 카고메 자성에서 고유한 Chern 양자상을 찾으려는 동기를 부여한다.
• 위상 현상에 적합한 결함 없는 Mn 기반 카고메 격자를 보여준다.
• 자기장 하에서 Landau 양자화와 스핀 편향 디릭 분산을 시각화한다.
• Chern 간극이 있는 디랙 계 시스템에 대한 벌크–경계–Berry 곡률 대응 관계를 확립한다.
• TbMn6Sn6를 RMn6Sn6 계열에서 위상적 자성을 탐구하는 플랫폼으로 제시한다.

제안 방법

• 원자 해상도로 Mn 기반 카고메 격자를 스캐닝 터널링 현미경으로 이미징한다.
• 자기장을 적용하여 Landau 양자화를 유도하고 양자화된 Landau 팬 구조를 관찰한다.
• 스핀 편향 디랙 분산을 확인하고 Chern 간극을 결정한다.
• 벌크 특성과 에지 상태 및 Berry 곡률의 상관관계를 통해 벌크-경계-Berry 대응을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TbMn6Sn6가 고유한 카고메 자성을 가진 상태에서 양자 극한 Chern 위상을 실현할 수 있는가?
• RQ2 TbMn6Sn6가 자기장하에서 Landau 양자화와 위상적으로 비자명한 Chern 간극을 보이는가?
• RQ3 이 물질에서 Chern 간극을 가진 디랙 페르슨에 대한 벌크–경계–Berry 곡률 대응이 증명 가능한가?
• RQ4 다양한 희토 원소를 대입할 때 RMn6Sn6 계열이 위상적 자성 상태를 호스팅하는 방식은 어떻게 변하는가?

주요 결과

• TbMn6Sn6은 위상 연구에 적합한 순수한 Mn 기반 강자성 카고메 격자를 제공한다.
• 전자가 인가된 자기장 하에서 Landau 양자화를 보인다.
• Landau 팬 구조는 스핀 편향 디랙 분산과 상당한 Chern 간극과 관련이 있다.
• Chern 간극과 위상 에지 상태 사이의 벌크-에지 대응 증거가 있다.
• Berry 곡률 특성은 Chern 간극이 있는 디랙 페르슨들을 동반하며 이 물질에서 양자 극한 Chern 위상을 뒷받침한다.