[论文解读] Incommensurate magnetic orders and topological Hall effect in the square-net centrosymmetric EuGa$_2$Al$_2$ system

Jaime M. Moya, Shiming Lei+17 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2021

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究在中心对称的正方网状化合物 EuGa₂Al₂ 中识别出非公度磁序及场诱导的拓扑霍尔效应（THE）。中子衍射揭示了平面内螺旋型（AFM1）和旋光型（AFM3）自旋结构，且在沿c轴施加磁场时，出现一种新的非共面相（A），此时THE达到最大值——表明由垂直于平面的电荷密度波（CDW）驱动的场调控拓扑自旋结构。

ABSTRACT

Neutron diffraction on the centrosymmetric square-net magnet EuGa$_2$Al$_2$ reveals multiple incommensurate magnetic states (AFM1,2,3) in zero field. In applied field, a new magnetic phase (A) is identified from magnetization and transport measurements, bounded by two of the $μ_0H$~=~0 incommensurate magnetic phases (AFM1,helical and AFM3, cycloidal) with different moment orientations. Moreover, magneto-transport measurements indicate the presence of a topological Hall effect, with maximum values centered in the A phase. Together, these results render EuGa$_2$Al$_2$ a material with non-coplanar or topological spin texture in applied field. X-ray diffraction reveals an out-of-plane (OOP) charge density wave (CDW) below $T_{CDW} \sim$ 50 K while the magnetic propagation vector lies in plane below $T_N$ = 19.5 K. Together these data point to a new route to realizing in-plane non-collinear spin textures through an OOP CDW. In turn, these non-collinear spin textures may be unstable against the formation of topological spin textures in an applied field.

研究动机与目标

• 确定零场及外加磁场下中心对称正方网状化合物 EuGa₂Al₂ 的磁相图。
• 研究垂直于平面的电荷密度波（CDW）在稳定复杂平面内磁序结构中的作用。
• 建立预形成的 CDW 与磁场下非共线及非共面自旋结构出现之间的关联。
• 探究 EuGa₂Al₂ 中拓扑霍尔效应（THE）的起源及其与磁相变的相关性。
• 将 EuGa₂Al₂ 与同结构化合物（EuAl₄、EuGa₄）进行比较，以分离出 CDW 在实现拓扑自旋结构中的作用。

提出的方法

• 利用中子衍射测定零场下非公度相（AFM1、AFM3）的磁结构及传播矢量。
• 在沿c轴施加磁场的条件下进行磁化率与磁电输运测量，以识别相A并量化拓扑霍尔效应。
• 采用X射线衍射（XRD）检测垂直于平面（OOP）电荷密度波（CDW）的存在及其随温度的变化，其转变温度 TCDW ≈ 50 K。
• 分析OOP CDW引起的费米面重构，以解释磁化率增强及向平面内非共线自旋结构不稳定的机制。
• 通过与同结构化合物 EuAl₄ 和 EuGa₄ 的对比研究，分离出 CDW 在实现复杂磁性中的作用。
• 利用单晶衍射X射线散射与电子探针微区分析（EPMA）确认样品的结构与化学成分完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在零场与外加磁场下，EuGa₂Al₂ 中稳定存在的磁相有哪些？它们如何随磁场演化？
• RQ2 垂直于平面的电荷密度波（CDW）如何影响 EuGa₂Al₂ 中平面内非共线自旋结构的形成？
• RQ3 在场诱导相A中观测到的拓扑霍尔效应（THE）的起源是什么？其与自旋结构拓扑性质有何关联？
• RQ4 为何同结构化合物如 EuAl₄ 和 EuGa₄ 展现出不同的磁学与输运行为？这揭示了CDW的何种作用？
• RQ5 OOP CDW 与平面内磁序之间的相互作用是否可在磁场下诱导出如自旋霍奇基子等拓扑自旋结构？

主要发现

• 在零场下识别出三种非公度反铁磁相（AFM1、AFM2、AFM3），其中 AFM1 呈螺旋自旋结构，AFM3 呈旋光自旋结构，二者均沿 a* 方向传播。
• 在沿c轴施加磁场时，AFM3 与 AFM1 之间出现一种新的场诱导相（A），其特征为非共面自旋结构。
• 拓扑霍尔效应（THE）在相A中达到最大值，峰值出现在中等磁场区间，表明存在手性自旋结构。
• 在 TCDW ≈ 50 K 以下检测到沿 c* 方向传播的垂直于平面（OOP）电荷密度波（CDW），且其持续存在于磁有序态中。
• OOP CDW 重构费米面，降低其维度并增强磁化率，从而促进平面内非共线磁序的形成。
• 与 EuAl₄ 和 EuGa₄ 的对比表明，EuGa₄ 中缺乏 CDW 导致其呈现简单的公度反铁磁基态，证实 CDW 在实现复杂磁性中的关键作用。