[论文解读] Epitaxial stabilization of magnetic GdAuSb/LaAuSb superlattices

Patrick J. Strohbeen, Soohyun Im+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2026

Iron-based superconductors research被引用 0

一句话总结

论文展示了在 Al2O3 上对 GdAuSb 薄膜和 GdAuSb/LaAuSb 超晶胞的外延生长，揭示了与 LaAuSb 相似的近费米电子结构，具有 Gd 引发的 9 eV f 状态，以及由于层间耦合导致的超晶胞中的两次磁相变。

ABSTRACT

We report the epitaxial stabilization of GdAuSb films and GdAuSb/LaAuSb superlattices via molecular beam epitaxy on (0001)-oriented Al$_{2}$O$_{3}$ substrates. GdAuSb crystallize in the Au-Au dimerized YPtAs structure type (space group $P6_{3}/mmc$), the same structure as the Dirac semimetal LaAuSb. Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements show similar near $E_F$ bandstructures for GdAuSb and LaAuSb, plus a rigid band shift for GdAuSb towards more hole-like behavior and core-like Gd $4f$ states $\sim 9$~eV below the Fermi energy. LaAuSb/GdAuSb superlattices exhibit sharp superlattice fringes by X-ray diffraction and atomically-precise interfaces by scanning transmission electron microscopy. Superlattices display two transitions in temperature-dependent resistvity, compared to a single Néel temperature for thick GdAuSb films. Superlattices of $Ln$AuSb materials ($Ln=$ rare earth) with atomically abrupt interfaces offer a new epitaxial platform for control of magnetic and topological order via tunable intralayer exchange and reduced dimensionality.

研究动机与目标

• 在 Al2O3(0001) 上以 YPtAs 型结构实现 GdAuSb 的外延稳定性。
• 合成具有界面原子级清晰性的 GdAuSb/LaAuSb 超晶胞。
• 表征电子结构和磁性以探索 19价 LnAuSb 材料中的磁性-拓扑耦合。

提出的方法

• 在 Al2O3(0001) 上以分子束外延生长 GdAuSb 和 LaAuSb，温度为 650 °C。
• 用 X 射线衍射确认相、c 轴加倍和镶嵌度。
• 使用角分辨光电子能谱比较近 EF 的能带结构并识别 Gd 4f 状态。
• 用密度泛函理论计算（WIEN2k，GGA+SO）进行能带结构对比。
• 用扫描透射电子显微镜验证超晶胞界面的原子级锐利性。
• 用电阻、SQUID 磁测量和磁传输研究磁相变。

Figure 1: (a) Survey $\omega$ -2 $\theta$ x-ray diffraction scan comparing the new GdAuSb compound to the previously reported LaAuSb alloy. 000 l reflections are labeled, substrate reflections are labeled with asterisks (*). (b) Zoom-in on (0002) reflection for GdAuSb and LaAuSb films to highlight t

实验结果

研究问题

• RQ1 GdAuSb 是否能在 Al2O3 基底上以 YPtAs 结构实现外延稳定性？
• RQ2 GdAuSb/LaAuSb 超晶胞是否表现出原子级清晰的界面并可调控的层间磁耦合？
• RQ3 与 LaAuSb 相比，Gd 的掺入如何影响近 Eg 的费米面以及 Gd 4f 状态的存在？
• RQ4 GdAuSb/LaAuSb 超晶胞中会出现哪些磁相变，它们与层间交换如何相关？

主要发现

• GdAuSb 以 Au–Au 双原子化的 YPtAs 结构外延生长，c 轴倍增，通过 000l 衍射和 Kiessig 条纹证实，膜厚为 85.5 nm。
• GdAuSb 的近 EF 能带结构与 LaAuSb 相似，存在刚性带移并在约 9 eV 处出现明显的 Gd 4f 峰，符合核态 f 的特征。
• GdAuSb/LaAuSb 超晶胞具有尖锐且原子级精确的界面，XRD 超晶胞条纹和高质量横截面 STEM 成像均证实。
• 超晶胞展现出两次与电阻相关的磁相变，T_N1 约为 17.85 K，第二次在 T_N2 约为 6.13 K，表明层间交换效应。
• 界面设计通过 LaAuSb 脱氧间隔层实现对 GdAuSb 层之间磁耦合的可调控，展示了在 19价 LnAuSb 系统中对磁性的控制。

Figure 2: Electronic structure of thick GdAuSb and LaAuSb films. (a) Angle-integrated photoemission spectroscopy of the valence bands for GdAuSb and LaAuSb. The Gd 4f states are on a split scale at 0.1x the original scale to fit the states into the same plot. (b) Angle-resolved photoemission spectro