[논문 리뷰] Intriguing magnetism of the topological kagome magnet TbMn_6Sn_6

C. Mielke, Wenlong Ma외 25명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 14.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 투마늄망간산스테니드(TbMn₆Sn₆)의 자성 및 위상적 성질을 투입자 스핀 회전(μSR), 중성자 회절 및 전기적 운반성질을 이용해 조사한다. 20 K 이하에서 동적인 평면 외 방향 반자성 질서에서 정적인 평면 외 방향 반자성 질서로의 온도에 의한 전이가 관찰되며, 이는 위상적 전자 상태를 안정화시키는 데 핵심적이다. 놀랍게도 2.1 GPa의 수압은 완전히 정적인 위상적 반자성 기저 상태를 유도하여 위상적 반응을 조절 가능한 상태로 만든다.

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.

연구 동기 및 목표

• 위상적 카그롬 망간 화합물 TbMn₆Sn₆의 자성 질서와 변동성을 이해하기 위해.
• 자기 질서가 디랙 밴드 및 카이린 갭과 같은 위상적 전자 상태를 안정화시키는 데 미치는 역할을 규명하기 위해.
• 외부 압력이 이 시스템의 자성 및 위상적 상에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 정적인 자성 질서의 발생과 위상적 홀 효과 및 비정상적 홀 전도도의 발생 간 상관관계를 규명하기 위해.
• 투입자 스핀 회전 및 중성자 회절을 이용하여 자성 구조와 상전이를 해결하기 위해.

제안 방법

• 1.8 K까지의 국소 자장과 동적인 변동성을 탐지하기 위해 투입자 스핀 회전(μSR)을 사용하였다.
• 중성자 분말 회절(NPD) 및 단결정 중성자 회절을 통해 자성 구조와 격자 상수를 결정하였다.
• 외부 자기장 하에서 스핀 재정렬 전이를 탐지하기 위해 자기장 의존성 중성자 회절을 실시하였다.
• 장거리 자성 질서의 시작과 내부 자기장 분포를 평가하기 위해 영자기장 μSR 측정을 수행하였다.
• 전자 운반성질과 자성 질서 간의 연관성을 규명하기 위해 온도 의존성 비정상적 홀 전도도(AHC)를 분석하였다.
• 수압(2.1 GPa)을 적용하여 자성 상을 조절하고 균일한 정적인 위상적 반자성 기저 상태를 안정화시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TbMn₆Sn₆의 자성 기저 상태의 성격은 무엇이며, 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 20 K 이상에서의 동적인 자성 변동은 위상적 전자 상태의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 정적인 평면 외 반자성 질서가 위상적 홀 효과 및 카이린 갭을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 수압을 이용하여 TbMn₆Sn₆에서 완전히 정적인 위상적 반자성 기저 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ5 비정상적 홀 전도도의 온도 변화가 자성 상전이와 어떻게 상관되는가?

주요 결과

• TbMn₆Sn₆는 $T_{\rm C1} \backsimeq 20$ K 이하에서 공간군 $P6/mm'm'$을 가지는 정적인 평면 외 반자성 구조를 나타낸다.
• $T_{\rm C2} = 320$ K 이하에서 시스템은 느린 자성 변동을 보이며, 이는 $T_{\rm C1}^* \backsimeq 120$ K 이하에서 둔화된다.
• 20 K 이하에서 온도가 내려갈수록 이상적인 평면 외 방향 질서를 가진 정적 자성 편석의 체적이 증가한다.
• 위상적 전자 성질의 발생, 즉 스핀 분리된 디랙 분산과 큰 카이린 갭은 정적인 평면 외 방향 질서 형성과 동시에 발생한다.
• 비정상적 홀 전도도(AHC)는 저온에서의 자성 전이에 의해 강하게 영향을 받으며, 이는 자성 질서와 직접적인 연관성을 나타낸다.
• 2.1 GPa의 수압은 샘플 전체 부피에 걸쳐 완전히 정적이고 균일한 평면 외 방향 위상적 반자성 기저 상태를 안정화시킨다.