[论文解读] A three-dimensional magnetic topological phase

Ilya Belopolski, Daniel S. Sanchez+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 11被引用 5

一句话总结

该论文首次在铁磁Heusler化合物Co₂MnGa中实现了三维拓扑磁相的实验实现，确认了跨越费米能级的拓扑线节点，并观测到与这些节点相关的鼓头形表面态。该发现解释了该材料中巨大的反常霍尔效应，并为在非半金属体系中产生高度自旋极化的电流开辟了新途径。

ABSTRACT

We use photoemission spectroscopy to discover the first topological magnet in three dimensions, the material Co$_2$MnGa.

研究动机与目标

• 在体相铁磁体中识别并实验实现三维拓扑磁相。
• 确定在时间反演对称性破缺的磁性体系中是否存在拓扑线节点及其相关的鼓头形表面态。
• 通过拓扑能带结构特征解释Co₂MnGa中观测到的异常大反常霍尔效应的起源。
• 探索非半金属体系中磁性与拓扑性的相互作用，以推动自旋电子学应用。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算预测Co₂MnGa的电子能带结构和拓扑不变量。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）实验测绘体相能带结构和表面态。
• 通过光子能量依赖的ARPES测量探测电子态的kz依赖性，以区分表面态与体相能带。
• 分析表面布里渊区，识别线节点的投影并确认鼓头形表面态的存在。
• 将实验ARPES数据与从头算计算结果对比，验证表面态的存在及其拓扑保护特性。
• 研究对称性及拓扑不变量在无粒子-空穴或手性对称性条件下稳定鼓头形态的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维铁磁材料能否容纳具有保护性表面态的拓扑相？
• RQ2 Co₂MnGa中的拓扑线节点是否会产生延伸至整个表面布里渊区的鼓头形表面态？
• RQ3 Co₂MnGa中巨大反常霍尔效应的起源是什么？是否与拓扑贝里曲率有关？
• RQ4 当微扰破坏粒子-空穴或手性对称性时，线节点半金属中的鼓头形表面态有多强的鲁棒性？
• RQ5 为何Co₂MnGa中的鼓头形表面态被钉扎在侧向投影的线节点上，而非预期的面上，这与直觉相悖？

主要发现

• Co₂MnGa中存在跨越费米能级的拓扑线节点，该结果经DFT计算与ARPES测量共同证实。
• 实验观测到鼓头形表面态在表面布里渊区的投影线节点上延伸，表明其具有拓扑保护特性。
• Co₂MnGa中巨大的反常霍尔效应可归因于线节点相关的强贝里曲率。
• 光子能量依赖的ARPES显示，线节点位于体相布里渊区的顶部附近（kz ≈ π），且在较高光子能量下观测到体相空穴口袋。
• 鼓头形表面态意外地被钉扎在侧向投影的线节点上，这一现象与基于拓扑不变量的常规预期相悖。
• 结果确立Co₂MnGa为首个实验实现的三维拓扑磁金属，也是任一维度中首个实现的拓扑磁体。