[论文解读] Switchable Weyl nodes in topological Kagome ferromagnet Fe3Sn2

M. Yao, H. Lee+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 24

一句话总结

该论文提出，室温下的铁磁体Fe3Sn2——一种Kagome晶格材料——具有可切换的外尔节点，其在动量空间中的位置可通过反转磁化方向进行调控。通过采用考虑Hubbard U修正的密度泛函理论（DFT+U）并经角分辨光电子能谱（ARPES）验证，研究显示磁化诱导的外尔简并性解除导致自旋纹理的动态演化，从而实现在外尔点穿越过程中对拓扑准粒子自旋极化的控制，使其从平行于磁化方向转变为反平行于磁化方向。

ABSTRACT

The control of topological quantum materials is the prerequisite for novel devices exploiting these materials. Here we propose that the room temperature ferromagnet Fe3Sn2, whose fundamental building blocks are Kagome bilayers of iron, hosts Weyl nodes at the Fermi level which can move in momentum space depending on the direction of the magnetization, itself readily controlled either by modest external fields or temperature. The proposal is derived from density functional calculations, including a mean field treatment of Hubbard repulsion U, which have been validated by comparison with angle-resolved photoemission data. Ferromagnetism with magnetization along certain directions is shown to lift the Weyl degeneracies, while at the same time inducing texture in the quasiparticle spin polarizations mapped in reciprocal space. In particular, the polarization is attenuated and then rotated from parallel to perpendicular to antiparallel to the magnetization as Weyl points derived from crossing of majority and minority spin bands are traversed.

研究动机与目标

• 探索拓扑Kagome铁磁体中外尔节点的可调性，以实现器件应用。
• 理解磁化方向如何调控Fe3Sn2中外尔节点的位置与自旋纹理。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）验证外尔节点动力学的理论预测。
• 研究Kagome晶格体系中铁磁性与拓扑能带结构之间的相互作用。
• 证明可通过外场或温度实现外尔节点的运动与自旋极化切换。

提出的方法

• 采用含Hubbard U修正的密度泛函理论（DFT+U）模拟电子结构与电子关联效应。
• 通过Hubbard U参数对电子-电子相互作用进行平均场处理，以提高强关联电子体系的计算精度。
• 将计算得到的能带结构与实验的角分辨光电子能谱（ARPES）数据进行对比，以验证理论预测。
• 系统分析在不同磁化方向下动量空间中外尔节点交叉点与自旋纹理的特性。
• 追踪准粒子自旋极化相对于磁化方向在外尔节点穿越过程中的演化行为。
• 结合对称性分析与能带拓扑分析，识别外尔节点的形成机制与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过控制磁化方向，在动量空间中动态调节Fe3Sn2中外尔节点的位置？
• RQ2 在外尔节点穿越过程中，随着磁化方向的变化，准粒子自旋纹理如何演化？
• RQ3 磁化方向在多大程度上影响Kagome晶格中外尔点的简并性与拓扑特性？
• RQ4 能否通过ARPES实验验证外尔节点运动与自旋极化切换的理论预测？
• RQ5 电子关联作用（U）在稳定与调控Fe3Sn2中外尔半金属相中起到何种作用？

主要发现

• Fe3Sn2中的外尔节点位于费米能级，且可通过反转磁化方向在动量空间中实现位置移动。
• 沿特定晶向的铁磁性会解除外尔节点的简并性，并在准粒子态中诱导出拓扑自旋纹理。
• 在外尔点穿越过程中，准粒子自旋极化从与磁化方向平行，逐渐演化为垂直，最终变为反平行。
• DFT+U计算结果与ARPES测量数据在定量上高度一致，证实了预测的能带结构与外尔节点位置。
• 自旋纹理的演化直接关联于多数自旋与少数自旋能带的交叉，而这些能带受磁性作用发生分裂。
• 该体系实现了可切换的外尔节点与可控自旋极化，为拓扑自旋电子学器件提供了新途径。