[论文解读] Highly anisotropic magnetism in the vanadium-based kagome metal TbV6Sn6

Ganesh Pokharel, Brenden R. Ortiz+6 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究报道了单晶TbV6Sn6的合成与表征，该材料是一种基于钒的凯文图（kagome）金属，在4.3(2) K以下表现出强单轴铁磁有序，Tb3+磁矩沿c轴排列。高迁移率、多带输运以及反常霍尔效应的证据表明，TbV6Sn6是通过Tb位磁性、自旋-轨道耦合与拓扑凯文图能带结构相互作用实现可调 Chern 间隙的有前途候选材料。

ABSTRACT

RV6Sn6 (R=rare earth) compounds are appealing materials platforms for exploring the interplay between R-site magnetism and nontrivial band topology associated with the nonmagnetic vanadium-based kagome network. Here we present the synthesis and characterization of the kagome metal TbV6Sn6 via single-crystal x-ray diffraction, magnetization, transport, and heat capacity measurements. Magnetization measurements reveal strong, uniaxial magnetic anisotropy rooted in the alignment of Tb3Å moments in the interplane direction below 4.3(2) K. TbV6Sn6 exhibits multiband transport behavior with high mobilities of charge carriers, and our measurements suggest TbV6Sn6 is a promising candidate for hosting Chern gaps driven via the interplay between Tb-site magnetic order and the band topology of the V-site kagome network.

研究动机与目标

• 合成并表征一种基于稀土元素的凯文图金属TbV6Sn6，其具有非磁性的V基凯文图晶格。
• 研究TbV6Sn6中的磁各向异性和磁有序机制，特别是Tb3+ 4f电子在磁性驱动中的作用。
• 探讨R位磁性与V-凯文图网络的拓扑电子结构之间的相互作用，以期实现Chern间隙的形成。
• 确定TbV6Sn6是否表现出反常霍尔效应及其他与自旋-轨道耦合和磁有序相关的拓扑输运特征。

提出的方法

• 采用通量法生长技术，以Tb:V:Sn摩尔比为1:6:20，在充满氩气的石英管中密封并合成TbV6Sn6单晶。
• 通过单晶X射线衍射确认其具有P6/mmm六方结构，并验证其在10 K下结构的稳定性。
• 进行磁化率、比热和磁电输运测量，以探测磁有序、电子关联效应及载流子迁移率。
• 对比热数据进行分析，提取晶体场分裂能级，并估算至第一激发J=6多重态的能隙约为114 K。
• 计算Kadowaki-Woods比值以评估顺磁态下电子关联强度。
• 通过与相关R V6Sn6化合物（如GdV6Sn6、TbMn6Sn6）的对比分析，以明确TbV6Sn6的磁各向异性和输运行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 TbV6Sn6中的磁有序性质是什么？是否表现出强单轴各向异性？
• RQ2 TbV6Sn6中的磁各向异性与具有不同稀土离子的其他R V6Sn6化合物相比如何？
• RQ3 Tb3+磁矩与拓扑凯文图能带结构之间的相互作用是否导致Chern间隙或反常霍尔效应的形成？
• RQ4 自旋-轨道耦合与晶体场分裂在稳定磁性基态中起什么作用？
• RQ5 输运性质在多大程度上反映了多带行为及潜在的拓扑特征？

主要发现

• TbV6Sn6在T_C = 4.3(2) K处发生铁磁相变，表现出强单轴磁各向异性，有利于Tb3+磁矩沿c轴排列。
• 比热测量显示，至第一激发J=6晶体场多重态存在约114 K的显著能隙，表明基态双态高度局域化。
• 磁电输运测量显示高载流子迁移率和多带导电行为，低温下偏离双带模型的特征暗示存在反常霍尔效应。
• Kadowaki-Woods比值A/γ² = 8.5×10⁻³ μΩ·cm·mol²·K²·J⁻²表明电子关联作用仅中等，与弱关联金属一致。
• V 3d电子未表现出强交换场，表明磁有序主要由Tb3+局域磁矩主导，从而可通过稀土位点取代独立调控各向异性。
• 结果表明，TbV6Sn6是通过面外铁磁性、自旋-轨道耦合与拓扑凯文图能带结构相互作用实现Chern间隙工程的有前途平台。