[论文解读] Electronic and magnetic properties of intermetallic Kagome magnets $R$V$_6$Sn$_6$ ($R$ = Tb - Tm)

X. X. Zhang, Z. Y. Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2022

Hydrogen Storage and Materials被引用 10

一句话总结

本研究调查了 R V₆Sn₆（R = Tb–Tm）间金属的电子与磁性性质，揭示了非磁性钒 kagome 晶格与磁性稀土三角形亚晶格的共存。在 0.4 K 以下未观察到超导性或电荷密度波序；相反，Tb、Dy 和 Ho 化合物中出现了明显的磁有序，而 Er 和 Tm 由于具有易面各向异性而保持磁无序，多带输运行为表明可能存在拓扑特性。

ABSTRACT

We present a systematic study of the structure, electronic, and magnetic properties of a new branch of intermetalllic compounds, $R$V$_6$Sn$_6$ ($R$ = Tb - Tm) by using X-ray diffraction, magnetic susceptibility, magnetization, electrical transport, and heat-capacity measurements. These compounds feature a combination of a non-magnetic vanadium kagome sublattice and a magnetic rare-earth triangular sublattice that supports various spin anisotropies based on different $R$ ions. We find magnetic orders for the $R$ = Tb, Dy, and Ho compounds at 4.4, 3, 2.5 K, respectively, while no ordering is detected down to 0.4 K for the $R$ = Er and Tm compounds with easy-plane anisotropies. Electronically, we found no superconductivity or charge ordering transition down to 0.4 K for any member of this family, while all compounds exhibit multi-band transport properties that originate from the band topology of the vanadium kagome sublattice.

研究动机与目标

• 研究新型 R V₆Sn₆（R = Tb–Tm）间金属的电子与磁性性质，其具有非磁性 V kagome 亚晶格和磁性 R 三角形亚晶格。
• 确定不同 R 离子（Tb、Dy、Ho、Er、Tm）的磁有序温度和各向异性类型，并与晶体场分裂及 4f–3d 自旋交换耦合关联。
• 通过输运与热力学测量评估是否存在超导性、电荷密度波序或拓扑电子态。
• 表征多带输运行为，并利用双带模型提取载流子浓度与迁移率。
• 探讨稀土离子特异的晶体场效应在磁各向异性和潜在拓扑相中的作用。

提出的方法

• 采用高温助熔法合成 R V₆Sn₆（R = Tb–Tm）的单晶，并通过 X 射线衍射确认相纯度。
• 进行磁化率与磁化强度测量，以识别磁有序转变并确定磁各向异性。
• 开展电输运测量（电阻率与霍尔效应），利用双带模型提取载流子浓度与迁移率。
• 应用双载流子模型拟合霍尔电导率 σ_xy(H)，使用公式：σ_xy = [n_h μ_h² / (1 + (μ_h B)²) - n_e μ_e² / (1 + (μ_e B)²)] eB，以 ρ_xy 和 ρ_xx 为输入参数。
• 测量比热以探测电子与磁性贡献，并确认在 0.4 K 以下无超导性或电荷序。
• 将观测到的磁各向异性与 R³⁺ 离子的晶体场能级结构及其对 4f–3d 自旋交换耦合的影响相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 0.4 K 以下，R V₆Sn₆（R = Tb–Tm）是否表现出超导性或电荷密度波序？
• RQ2 R V₆Sn₆ 的磁有序性质为何种类型？其随 R 离子（Tb、Dy、Ho、Er、Tm）的变化规律如何？
• RQ3 R³⁺ 离子的晶体场分裂与磁各向异性如何影响磁结构及 4f–3d 自旋交换耦合？
• RQ4 这些材料中的载流子输运行为如何？是否暗示非平凡的能带拓扑？
• RQ5 为何 TmV₆Sn₆ 尽管具有有限负的居里-外斯温度仍保持磁无序？这又对磁阻挫的含义有何启示？

主要发现

• 通过电阻率、比热和磁化率测量确认，在所有 R V₆Sn₆ 化合物中均未在 0.4 K 以下观察到超导性或电荷序。
• 在 TbV₆Sn₆ 中检测到 4.4 K 的磁有序（Ising 型，c 轴取向），DyV₆Sn₆ 为 3 K（易轴型），HoV₆Sn₆ 为 2.5 K（更各向同性），表明 R³⁺ 离子依赖的强各向异性。
• ErV₆Sn₆ 和 TmV₆Sn₆ 在 0.4 K 以下未显示磁有序，其中 TmV₆Sn₆ 展现易面各向异性，居里-外斯温度为 -3.18 K，提示存在磁阻挫。
• 所有化合物在 100 K 以下均表现出双带输运行为，载流子浓度与迁移率表现出强烈的温度依赖性，并在低温下出现发散。
• 在 150 K 以上，所有样品中空穴载流子占主导；在 100 K 以下，电子与空穴迁移率趋于可比，其中 TbV₆Sn₆ 中电子载流子占优，HoV₆Sn₆ 中空穴载流子占优。
• 多带输运行为与 YV₆Sn₆ 和 GdV₆Sn₆ 的能带结构相似，提示该 R V₆Sn₆ 家族中存在非平凡的拓扑电子态。