[论文解读] Intriguing magnetism of the topological kagome magnet TbMn_6Sn_6

C. Mielke, Wenlong Ma+25 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究通过μ子自旋旋转（μSR）、中子衍射和电输运测量，探究了kagome晶格材料TbMn₆Sn₆的磁性和拓扑特性。研究发现，在20 K以下，系统经历从动态到静态的面外亚铁磁序的温度驱动演化，这对稳定拓扑电子态至关重要。值得注意的是，2.1 GPa的静水压可诱导出完全静态的拓扑亚铁磁基态，从而实现对拓扑响应的可调控制。

ABSTRACT

Magnetic topological phases of quantum matter are an emerging frontier in physics and material science. Along these lines, several kagome magnets have appeared as the most promising platforms. Here, we explore magnetic correlations in the transition-metal-based kagome magnet TbMn$_{6}$Sn$_{6}$ using muon spin rotation, combined with local field analysis and neutron diffraction. Our results show that the system exhibits an out-of-plane ferrimagnetic structure $P6/mm'm'$ (comprised by Tb and Mn moments) with slow magnetic fluctuations below $T_{ m C2}$~=~320~K. These fluctuations exhibit a slowing down below $T_{ m C1}^{*}$~${\simeq}$~120~K, and we see the formation of static patches with ideal out-of-plane order below $T_{ m C1}$~${\simeq}$~20~K which grow in a volume with decreasing temperature. The appearance of the static patches has a similar onset to the interesting phenomenon such as spin-polarized Dirac dispersion with a large Chern gap and topological edge states. We further show that the temperature evolution of the anomalous Hall conductivity (AHC) is strongly influenced by the low temperature magnetic crossover. Our presented experimental results show that the onset of the topological electronic properties tied to the Dirac band is promoted only by true static out-of-plane ferrimagnetic order in TbMn$_{6}$Sn$_{6}$ and is washed out by the slow magnetic fluctuations above $T_{ m C1}$~${\simeq}$~20~K. Remarkably, hydrostatic pressure of 2.1 GPa stabilises static out-of-plane topological ferrimagnetic ground state in the whole volume of the sample. Therefore the exciting perspective arises of a magnetic system in which the topological response can be controlled, and thus explored, over a wide range of parameters.

研究动机与目标

• 理解拓扑kagome磁体TbMn₆Sn₆中的磁序与磁涨落行为。
• 确定磁序在稳定狄拉克能带和陈隙等拓扑电子态中的作用。
• 研究外部压力如何影响该体系中的磁相与拓扑相。
• 将静态磁序的出现与拓扑霍尔效应及异常霍尔电导率的出现相关联。
• 利用μ子自旋旋转和中子衍射解析磁结构及相变行为。

提出的方法

• 采用μ子自旋旋转（μSR）探测1.8 K以下的局域磁场与动态涨落。
• 进行中子粉末衍射（NPD）和单晶中子衍射，以确定磁结构与晶格参数。
• 利用场依赖性中子衍射检测外加磁场下的自旋重取向相变。
• 开展零场μSR测量，评估长程磁序的出现及内部磁场分布。
• 分析温度依赖的异常霍尔电导率（AHC），建立电子输运与磁序之间的关联。
• 施加2.1 GPa的静水压，调控磁相并稳定均匀的静态拓扑亚铁磁基态。

实验结果

研究问题

• RQ1 TbMn₆Sn₆的磁基态性质是什么？其随温度如何演化？
• RQ2 在20 K以上，动态磁涨落如何影响拓扑电子态的形成？
• RQ3 静态面外亚铁磁序在稳定拓扑霍尔效应与陈隙中的作用是什么？
• RQ4 能否通过静水压诱导TbMn₆Sn₆中形成完全静态的拓扑亚铁磁基态？
• RQ5 异常霍尔电导率的温度演化如何与磁相变相关联？

主要发现

• TbMn₆Sn₆在$T_{\rm C1} \backsimeq 20$ K以下表现出空间群为$P6/mm'm'$的静态面外亚铁磁结构。
• 在$T_{\rm C2} = 320$ K以下，系统表现出缓慢的磁涨落，其在$T_{\rm C1}^* \backsimeq 120$ K以下进一步减缓。
• 随着温度降低至20 K以下，具有理想面外有序特性的静态磁畴体积逐渐增大。
• 拓扑电子性质的出现，包括自旋极化的狄拉克色散关系与较大的陈隙，与静态面外磁序的形成同步发生。
• 异常霍尔电导率（AHC）受低温磁序转变的显著影响，表明其与磁序存在直接关联。
• 2.1 GPa的静水压可使整个样品体积内形成完全静态、均匀的面外拓扑亚铁磁基态。