[论文解读] Anisotropic magnetism at the surface of a non-magnetic bulk insulator

Jarryd A. Horn, K. E. Avers+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2026

Topological Materials and Phenomena被引用 0

一句话总结

论文表明，FeSb2 这一非磁性体相绝缘体承载各向异性的、表面局部化的磁矩，其行为与表面磁传输相一致，包括低温下的非平凡霍尔分量。

ABSTRACT

The potential for topological Kondo insulating behavior in d-electron systems has attracted interest in studying the surface states of the correlated insulators FeSb2 and FeSi. While detailed studies and theoretical description of a spin-orbit coupled ferromagnetic surface state have been applied to FeSi, the magnetic properties of the surface states of FeSb2 have not been addressed. Here, we report on the surface magnetic properties of FeSb2, utilizing the surface area dependence of magnetic susceptibility to separate the surface Curie-Weiss temperature dependence from the bulk spin-gap susceptibility. We use these results to further extract the surface magnetic anisotropy of a thin, rough-surfaced single-crystal FeSb2 to compare with the observed magnetotransport anisotropy, and find good agreement between the anisotropy in the surface magnetization and surface magnetotransport. We conclude with evidence of an anomalous Hall contribution to the low-temperature surface transport.

研究动机与目标

• 促使在 d 电子相关绝缘体中探索表面态，作为潜在的磁性/拓扑平台。
• 开发一种通过表面积依赖的磁化强度来将表面磁性贡献与体相自旋带隙弛豫区分开的方法。
• 从表面磁各向异性出发，比较其与表面磁传输的一致性。
• 在低温下研究表面支配传输中的潜在异常霍尔分量。

提出的方法

• 制备 FeSb2 单晶并系统性研磨制成具有 increasing 表面积的粉末。
• 使用 MPMS-3 测量 M 与 χ 随温度 T 与磁场 B 的变化。
• 通过分析表面积依赖性，将 χ 分解为表面居里-魏斯项和体相热激活自旋隙贡献。
• 基于颗粒形状的估计，利用居里-魏斯拟合和表面积估算每单位面积的表面磁矩 μeff。
• 通过在表面富集样品上比较沿 a 轴和 b 轴的 χ 与 MR 来测定各向异性。
• 将 MR 拟合为跳跃传导与磁散射的组合模型，以提取各向异性耦合参数。

Figure 1: Magnetization scaling of the powder magnetic susceptibility with surface area (i.e. powder grain size). (a) Magnetization field dependence scaling with each powder step labeled by average diameter. (b) histograms of powder grain size for each powder grind step as calculated from powder ima

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSb2 是否在非磁性体相中承载本征的、各向异性的表面磁性态？
• RQ2 能否通过利用表面积依赖性将表面磁性与体相自旋带隙贡献区分开来？
• RQ3 表面磁性各向异性与表面磁传输各向异性之间有何关联？
• RQ4 在低温下的表面支配传输中是否存在与表面态相关的异常霍尔分量的证据？

主要发现

material	M (μB/nm2)	Tc (K)	method	Notes
FeSb2	286	15(5)	powder moment	Surface-magnetism dominated moment per area.
FeSi [2]	500 (200)	100(20)	powder moment	Powder-based surface moment comparison.
FeSi [30]	22.5 (12.5)	200	thin film	Surface moment per area for thin film geometry.

• FeSb2 的表面积依赖磁化显示出可归因于表面态的居里-魏斯磁矩，与体相自旋带隙行为不同。
• 表面居里-魏斯磁矩表现出磁各向异性，其中 a 轴被确定为易轴。
• 在考虑碎片形状近似的上下文中，估计的表面磁矩密度为 μeff ≈ 286 μB/nm2。
• 表面磁传输的各向异性与表面磁化一致，支持磁效应来自表面的起源。
• 对表面 MR 的描述可用跳跃传导与磁散射的组合模型，并具有各向异性耦合参数。
• 低温下对表面区域的霍尔测量显示出非线性磁场依赖，与异常霍尔贡献一致，尽管迁移率限制使清晰磁滞观测困难。

Figure 2: $M/B$ vs $T$ and magnetization with linear field dependence subtracted for clarity of hysteresis, $\Delta M$ vs $B$ , is shown for fine FeSb 2 powder. These results show (a) field dependence of ZFC vs FC bifurcation and (b) temperature dependence of magnetic hysteresis.