[论文解读] Impact of antiferromagnetic order on Landau level splitting of quasi-two-dimensional Dirac fermions in EuMnBi$_2$

H. Masuda, Hideaki Sakai+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2018

Rare-earth and actinide compounds被引用 4

一句话总结

本研究揭示，EuMnBi₂中的反铁磁序在准二维狄拉克费米子中诱导了强自旋分裂的 Landau 能级，与自旋翻转相相比，反铁磁相中的有效g因子增加了约50%。该效应源于狄拉克费米子与局域Eu²⁺自旋之间增强的交换耦合，第一性原理计算证实该交换分裂与Zeeman能量相当。

ABSTRACT

We report spin-split Landau levels of quasi-two-dimensional Dirac fermions in a layered antiferromagnet EuMnBi$_2$, as revealed by interlayer resistivity measurements in a tilted magnetic field up to $\sim$35 T. The amplitude of Shubnikov-de Haas (SdH) oscillation in interlayer resistivity is strongly modulated by changing the tilt angle of the field, i.e., the Zeeman-to-cyclotron energy ratio. The effective $g$ factor estimated from the tilt angle, where the SdH oscillation exhibits a phase inversion, differs by approximately 50% between two antiferromagnetic phases. This observation signifies a marked impact of the magnetic order of Eu sublattice on the Dirac-like band structure. The origin may be sought in strong exchange coupling with the local Eu moments, as verified by the first-principles calculation.

研究动机与目标

• 研究EuMnBi₂中的反铁磁序如何影响准二维狄拉克费米子的 Landau 能级分裂。
• 确定在层间电阻率中观测到的场角依赖的 Shubnikov-de Haas（SdH）振荡的起源。
• 阐明狄拉克费米子与局域Eu²⁺自旋之间交换耦合在调节有效g因子中的作用。
• 在体狄拉克半金属中建立磁序与能带结构重整化之间的直接联系。

提出的方法

• 在倾斜磁场（最高约35 T）下测量层间电阻率（ρzz），以探测 Landau 能级量子化。
• 分析SdH振荡的倾角依赖性，以提取Zeeman能与回旋能之比，并确定有效g因子（g*）。
• 利用第一性原理计算模拟Eu²⁺自旋在不同磁态下的狄拉克能带结构。
• 从计算得到的能带分裂估算磁化率和交换耦合能量（Eex），并与实验测得的Zeeman能量（EZ）进行比较。
• 从SdH振荡频率和相位偏移中提取费米面截面积（SF）和回旋有效质量（mc）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Eu²⁺自旋的反铁磁序如何影响EuMnBi₂中 Landau 能级的分裂？
• RQ2 在反铁磁相与自旋翻转反铁磁相之间观测到的g因子50%差异的起源是什么？
• RQ3 狄拉克费米子与Eu²⁺自旋之间的交换耦合在导致观测到的能带分裂中起到了多大程度的作用？
• RQ4 Eu亚晶格的磁态如何影响回旋有效质量和费米面几何形状？

主要发现

• 在反铁磁相中，有效g因子（g*）为9.8(4)，在自旋翻转反铁磁相中为6.6(4)，表明反铁磁态中g*提高了约50%。
• 费米面截面积（SF）在两相之间基本保持不变（约0.186–0.191 nm⁻²），表明费米面大小变化极小。
• 在反铁磁相中，回旋有效质量（mc）为0.097(2)m₀，在自旋翻转相中为0.122(2)m₀，表明反铁磁态中质量减小。
• 第一性原理计算表明，在自旋翻转相中，交换耦合（Eex）为50–80 meV，与Zeeman能量（约13 meV）相当，可解释g*的增强。
• 自旋翻转相中的能带分裂主要源于横向磁化率，导致自旋向上和自旋向下的狄拉克能带出现强交换分裂。
• 反铁磁相中观测到的g*增强归因于狄拉克费米子与Eu²⁺自旋之间存在较大的交换耦合（J ≈ 14–23 meV），且J的符号与本征g*因子相反。