[论文解读] Discovery of a quantum limit Chern magnet TbMn6Sn6

Jia‐Xin Yin, Wenlong Ma+24 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用 35

一句话总结

本文报道发现了拓扑 kagome 磁性材料 TbMn6Sn6，显示朗道量子化、具有较大 Chern 间隙的自旋极化 Dirac 色散，以及指示量子极限 Chern 相的体–边–贝里对应关系。

ABSTRACT

The quantum level interplay between geometry, topology, and correlation is at the forefront of fundamental physics. Owing to the unusual lattice geometry and breaking of time-reversal symmetry, kagome magnets are predicted to support intrinsic Chern quantum phases. However, quantum materials hosting ideal spin-orbit coupled kagome lattices with strong out-of-plane magnetization have been lacking. Here we use scanning tunneling microscopy to discover a new topological kagome magnet TbMn6Sn6, which is close to satisfying the above criteria. We visualize its effectively defect-free purely Mn-based ferromagnetic kagome lattice with atomic resolution. Remarkably, its electronic state exhibits distinct Landau quantization upon the application of a magnetic field, and the quantized Landau fan structure features spin-polarized Dirac dispersion with a large Chern gap. We further demonstrate the bulk-boundary correspondence between the Chern gap and topological edge state, as well as the Berry curvature field correspondence of Chern gapped Dirac fermions. Our results point to the realization of a quantum-limit Chern phase in TbMn6Sn6, opening up an avenue for discovering topological quantum phenomena in the RMn6Sn6 (R = rare earth element) family with a variety of magnetic structures. Our visualization of the magnetic bulk-boundary-Berry correspondence covering real and momentum space demonstrates a proof-of-principle method revealing topological magnets.

研究动机与目标

• 推动在具有垂直磁化的 kagome 磁体中寻找内在的 Chern 量子相。
• 展示一个无缺陷的基于 Mn 的 kagome 晶格，适合拓扑现象。
• 在磁场下可视化朗道量子化与自旋极化的 Dirac 色散。
• 建立适用于具有 Chern 间隙的 Dirac 体系的体–边–贝里曲率对应关系。
• 提出 TbMn6Sn6 作为 RMn6Sn6 家族中探索拓扑磁性的平台。

提出的方法

• 使用扫描隧道显微镜在原子分辨率下成像基于 Mn 的 kagome 晶格。
• 施加磁场以引发朗道量子化并观察量化的朗道扇结构。
• 识别自旋极化的 Dirac 色散并确定 Chern 间隙。
• 将体性能与边界态及贝里曲率相关联，以证明体–边–贝里对应关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 TbMn6Sn6 是否能在内在 kagome 磁性下实现量子极限 Chern 相？
• RQ2 在磁场下 TbMn6Sn6 是否呈现朗道量子化和拓扑非平凡的 Chern 间隙？
• RQ3 是否存在该材料中针对具有 Chern 间隙的 Dirac 费米子可证明的体–边–贝里曲率对应关系？
• RQ4 随着稀土元素的变化，RMn6Sn6 家族在承载拓扑磁性态方面表现如何？

主要发现

• TbMn6Sn6 拥有纯 Mn 基的铁磁 kagome 晶格，适合拓扑研究。
• 电子态在外加磁场下显示朗道量子化。
• 朗道扇结构与自旋极化的 Dirac 色散及相当大的 Chern 间隙相关。
• 存在 Chern 间隙与拓扑边界态之间的体–边对应关系的证据。
• 贝里曲率特征伴随具有 Chern 间隙的 Dirac 费米子，支持该材料中的量子极限 Chern 相。