[论文解读] Magnetic-field modulation of topological electronic states and emergent magneto-transport in a magnetic Weyl semimetal

Jianlei Shen, Jiacheng Gao+17 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 3被引用 4

一句话总结

本研究展示了在磁性外尔半金属 EuB6 中，外加磁场诱导的拓扑电子态调制，其中外磁场诱导出非共线磁性，使拓扑反交叉能带发生折叠，产生强贝里曲率，并驱动巨量非平凡异常霍尔效应（UAHE），其峰值出现在约 5 kOe。场依赖性 STM/S 显示电子态密度同步演化，将实空间磁性与动量空间拓扑联系起来，为拓扑自旋电子学中的可调磁电输运提供了可能。

ABSTRACT

The modulation of topological electronic states by an external magnetic field is highly desired for condensed matter physics. Schemes to achieve this have been proposed theoretically, but few can be realized experimentally. Here, combining transverse transport, theoretical calculations, and scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/S) investigations, we provide an observation that the topological electronic states, accompanied by an emergent magneto-transport phenomenon, were modulated by applying magnetic fields through induced non-collinear magnetism in the magnetic Weyl semimetal EuB6. A giant unconventional anomalous Hall effect (UAHE) is found during the magnetisation re-orientation from easy axis to hard ones in magnetic fields, with a UAHE peak around the low field of 5 kOe. Under the reasonable spin-canting effect, the folding of the topological anti-crossing bands occurs, generating a strong Berry curvature that accounts for the observed UAHE. Field-dependent STM/S reveals a highly synchronous evolution of electronic density of states, with a dI/dV peak around the same field of 5 kOe, which provides evidence to the folded bands and excited UAHE by external magnetic fields. This finding elucidates the connection between the real-space non-collinear magnetism and the k-space topological electronic states and establishes a novel manner to engineer the magneto-transport behaviours of correlated electrons for future topological spintronics.

研究动机与目标

• 通过实验演示外磁场对磁性外尔半金属中拓扑电子态的调制。
• 建立实空间非共线磁性与动量空间拓扑能带结构之间的关联。
• 探索在磁场诱导磁化方向重取向下出现的新兴磁电输运现象，特别是非平凡异常霍尔效应（UAHE）。
• 为通过外部磁场工程化关联电子输运提供新途径。

提出的方法

• 通过横向输运测量探测外磁场下非平凡异常霍尔效应（UAHE）的变化。
• 通过扫描隧道显微镜/谱学（STM/S）在原子尺度上绘制场依赖的电子态密度（DOS）。
• 理论计算以模拟自旋倾斜效应，并预测非共线磁性下的能带折叠。
• 分析磁化方向从易轴到难轴的转变过程，与 UAHE 响应相关联。
• 利用自旋倾斜模型解释由折叠拓扑能带产生的强贝里曲率的起源。
• 将 STM/S 中 dI/dV 峰与 UAHE 最大值相关联，以确认磁场诱导的能带重构。

实验结果

研究问题

• RQ1 外加磁场如何调制磁性外尔半金属（如 EuB6）中的拓扑电子态？
• RQ2 在磁场作用下，EuB6 中约 5 kOe 处观测到的巨量非平凡异常霍尔效应（UAHE）的起源是什么？
• RQ3 由磁场驱动的自旋倾斜所诱导的非共线磁性，在多大程度上导致能带折叠并增强贝里曲率？
• RQ4 在外磁场调制下，电子态密度与拓扑能带结构如何同步演化？
• RQ5 能否在纳米尺度上探测并关联场诱导的拓扑态与新兴磁电输运现象？

主要发现

• 巨量非平凡异常霍尔效应（UAHE）在约 5 kOe 处达到峰值，与 EuB6 中磁化方向从易轴转向难轴的过程同步。
• 场依赖性 STM/S 显示在约 5 kOe 处出现 dI/dV 峰，表明电子态密度的演化与能带折叠一致。
• 观测到的 UAHE 归因于非共线磁性下拓扑反交叉能带的折叠，从而产生强贝里曲率。
• 理论建模证实，磁场下的自旋倾斜可诱导必要的对称性破缺，实现能带折叠与贝里曲率增强。
• 本研究首次在 Weyl 半金属中建立了实空间非共线磁性与动量空间拓扑电子态之间的直接关联。
• 研究结果为通过外部磁场工程化关联拓扑材料中的磁电输运提供了新机制。