[论文解读] Low temperature competing magnetic energy scales in the topological ferrimagnet TbMn6Sn6

S. X. M. Riberolles, Tyler J. Slade+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2021

Advanced Condensed Matter Physics被引用 12

一句话总结

本研究通过非弹性中子散射和DFT+U计算，揭示了拓扑亚铁磁体TbMn6Sn6中竞争的磁能级。研究识别出强铁磁性Mn-Mn层内耦合（约230 meV带宽）、主导的反铁磁性Mn-Tb层间耦合，以及较弱的、相互竞争的铁磁性和反铁磁性Mn-Mn层间相互作用，这些作用共同稳定了一个刚性三维亚铁磁网络，具有6.5 meV自旋能隙，从而在350 K发生自旋再取向时可实现拓扑态的可调谐性。

ABSTRACT

TbMn6Sn6 is a metallic ferrimagnet displaying signatures of both topological electrons and topological magnons arising from ferromagnetism and spin-orbit coupling within its Mn kagome layers. Inelastic neutron scattering measurements find strong ferromagnetic (FM) interactions within the Mn kagome layer and reveal a magnetic bandwidth of ~230 meV. The low-energy magnetic excitations are characterized by strong FM Mn-Mn and antiferromagnetic (AFM) Mn-Tb interlayer magnetic couplings. We observe weaker, competing long-range FM and AFM Mn-Mn interlayer interactions similar to those driving helical magnetism in the YMn6Sn6 system. Combined with density-functional theory calculations, we find that competing Mn-Mn interlayer magnetic interactions occur in all RMn6Sn6 compounds with R= Y, Gd-Lu, resulting in magnetic instabilities and tunability when Mn-R interactions are weak. In the case of TbMn6Sn6, strong AFM Mn-Tb coupling ensures a highly stable three-dimensional ferrimagnetic network.

研究动机与目标

• 理解拓扑亚铁磁体TbMn6Sn6中磁复杂性的起源。
• 识别磁交换相互作用的层级关系，特别是竞争的层间Mn-Mn耦合。
• 确定Tb磁各向异性能与Mn-Tb耦合在稳定亚铁磁基态中的作用。
• 评估通过磁控手段，特别是通过自旋再取向转变，调节拓扑能带态的潜力。

提出的方法

• 采用非弹性中子散射（INS）探测低能磁激发，并提取交换耦合常数。
• 通过包含局域库仑排斥作用的密度泛函理论（DFT+U）计算，模拟电子结构与磁相互作用。
• 对INS数据应用自旋波分析，以提取自旋能隙与各向异性参数。
• 采用磁各向异性能（MAE）计算，评估Tb与Mn离子的温度依赖性各向异性。
• 通过与YMn6Sn6的对比分析，评估R Mn6Sn6化合物中磁相互作用的可转移性。
• 理论建模包括使用包含FM、AFM与各向异性项的自旋哈密顿量对INS数据进行拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TbMn6Sn6中，竞争的层间Mn-Mn磁相互作用的相对强度与符号分别是什么？
• RQ2 Mn-Tb与Mn-Mn层间耦合如何影响三维亚铁磁态的稳定性？
• RQ3 在磁激发谱中观测到的6.5 meV自旋能隙的起源与大小是什么？
• RQ4 Mn与Tb离子在TbMn6Sn6中对单轴磁各向异性的贡献程度如何？
• RQ5 350 K的自旋再取向转变是否与磁涨落及拓扑能带结构的变化相关？

主要发现

• 强铁磁性Mn-Mn层内耦合导致约230 meV的巨大磁能带宽。
• 主导的反铁磁性Mn-Tb层间耦合稳定了刚性三维亚铁磁网络。
• 6.5 meV自旋能隙在低于20 K的温度下抑制集体自旋涨落，表明磁基态具有高度稳定性。
• 存在较弱的竞争性铁磁与反铁磁Mn-Mn层间相互作用，与驱动YMn6Sn6中螺旋磁性的机制相似。
• Mn与Tb离子均表现出单轴单离子各向异性，其中Tb的各向异性具有温度依赖性，并与350 K的自旋再取向转变相关。
• DFT+U计算验证了实验测得的交换耦合层级关系，并支持竞争相互作用在R Mn6Sn6化合物中磁不稳定性与可调谐性中的作用。