[논문 리뷰] Low temperature competing magnetic energy scales in the topological ferrimagnet TbMn6Sn6

S. X. M. Riberolles, Tyler J. Slade외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 27.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 비탄성 중성자 산란과 DFT+U 계산을 통해 상전이 페리마그네틱 물질 TbMn6Sn6에서 경쟁하는 자성 에너지 스케일을 규명한다. 강한 반강자성 Mn-Mn 계면 내부 결합(~230 meV 밴드폭), 지배적인 반강자성 Mn-Tb 계면 상호작용, 그리고 더 약한 경쟁적 반강자성 및 반강자성 Mn-Mn 계면 상호작용을 확인하였으며, 이는 6.5 meV 스핀 갭을 가진 강성 있는 3차원 페리마그네틱 네트워크를 안정화시키고, 350 K에서의 스핀 재정렬을 통해 탑올로지컬 상태를 조절 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상전이 페리마그네틱 물질 TbMn6Sn6의 자성 복잡성의 기원을 이해하는 것.
• 특히 경쟁적인 계면 Mn-Mn 상호작용의 계층적 상호작용을 규명하는 것.
• Tb의 자성 이방성과 Mn-Tb 상호작용이 페리마그네틱 기저 상태를 안정화시키는 데 미치는 역할을 규명하는 것.
• 특히 스핀 재정렬 전이를 통해 자성 제어를 통한 탑올로지컬 밴드 상태 조절 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• 저에너지 자성 진동을 탐사하고 교환 상호작용 상수를 추출하기 위해 비탄성 중성자 산란(INS)을 사용하였다.
• 전자 구조와 자성 상호작용을 모델링하기 위해 현장 전하 반발(고려) DFT+U 계산을 수행하였다.
• INS 데이터에서 스핀파 분석을 적용하여 스핀 갭과 이방성 파rameter를 추출하였다.
• Tb와 Mn 이온의 온도 의존적 이방성을 평가하기 위해 자성 이방성 에너지(MAE) 계산을 실시하였다.
• R Mn6Sn6 화합물 간의 자성 상호작용 이행 가능성 평가를 위해 YMn6Sn6와의 비교 분석을 수행하였다.
• 이론적 모델링은 FM, AFM 및 이방성 항을 포함한 스핀 해밀토니안을 사용한 INS 데이터 피팅을 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TbMn6Sn6에서 경쟁적인 계면 Mn-Mn 자성 상호작용의 상대 강도와 부호는 무엇인가?
• RQ2 Mn-Tb 및 Mn-Mn 계면 상호작용은 3차원 페리마그네틱 상태의 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 관측된 6.5 meV 스핀 갭의 기원과 크기는 무엇인가?
• RQ4 Mn과 Tb 이온은 TbMn6Sn6의 축방향 단일 이온 이방성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 350 K에서의 스핀 재정렬 전이가 자성 플럭투에이션과 탑올로지컬 밴드 구조의 변화와 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 강한 반강자성 Mn-Mn 계면 내부 결합으로 인해 약 230 meV의 큰 자성 밴드폭이 발생한다.
• 지배적인 반강자성 Mn-Tb 계면 상호작용이 강성 있는 3차원 페리마그네틱 네트워크를 안정화시킨다.
• 6.5 meV 스핀 갭은 20 K 이하의 온도에서 집단적 스핀 플럭투에이션을 억제하여 안정된 자성 기저 상태를 나타낸다.
• 더 약한 경쟁적 반강자성 및 반강자성 Mn-Mn 계면 상호작용이 존재하며, 이는 YMn6Sn6에서의 나선형 자성의 유도 요소와 유사하다.
• Mn과 Tb 이온 모두 축방향 단일 이온 이방성을 나타내며, Tb의 이방성은 온도 의존적이며 350 K 스핀 재정렬 전이와 관련되어 있다.
• DFT+U 계산은 실험적 상호작용 계층 구조를 확인하고, R Mn6Sn6 화합물에서 자성 불안정성과 조절 가능성에 기여하는 경쟁 상호작용의 역할을 뒷받침한다.