[论文解读] NMR evidence for enhanced orbital diamagnetism in topologically nontrivial half-Heusler semimetals

Chenglong Shi, Xuekui Xi+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2014

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 30被引用 12

一句话总结

本研究利用 209Bi 核磁共振（NMR）光谱学，证明在拓扑非平庸的半-Heusler半金属 YPtBi 和 YPdBi 中，由于强自旋-轨道耦合，轨道抗磁性得到增强。两种材料中观测到的温度依赖性 NMR 化学位移符号相反，为自旋-轨道诱导的轨道磁化率增强提供了直接实验证据，表明 NMR 各向同性化学位移是探测拓扑自旋电子相的有力工具。

ABSTRACT

209Bi nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was employed to probe potential spin-orbit effects on orbital diamagnetism in YPtBi and YPdBi crystals. The observed opposite sign and temperature dependent magnitude of 209Bi NMR shifts of both crystals reveal experimental signatures of enhanced orbital diamagnetism induced by spin-orbit interactions. This investigation indicates that NMR isotropic shifts might be beneficial in search of interesting spin-electronic phases among a vast number of topological nontrivial half-Heusler semimetals.

研究动机与目标

• 研究自旋-轨道耦合在调控拓扑半-Heusler半金属中轨道抗磁性方面的角色。
• 确定 YPtBi 和 YPdBi 中增强的轨道磁化率是否源于强自旋-轨道相互作用。
• 探索 NMR 各向同性化学位移作为识别拓扑材料中奇异自旋电子相的诊断工具的潜力。
• 建立拓扑能带结构与重费米子类体系中可测量磁响应之间的联系。

提出的方法

• 采用 209Bi 核磁共振（NMR）光谱学探测 YPtBi 和 YPdBi 晶体中的局域电子环境。
• 测量温度依赖性 NMR 化学位移，以提取对轨道和自旋贡献敏感的各向同性化学位移分量。
• 通过分析 NMR 化学位移的符号及其随温度的变化，分离出轨道抗磁性贡献。
• 比较两种结构相似但电子性质不同的半-Heusler化合物中的 NMR 化学位移行为，以隔离自旋-轨道效应。
• 利用观测到的 NMR 化学位移趋势，推断出轨道磁化率超出常规值的增强效应。
• 应用非中心对称体系中自旋-轨道耦合效应的理论预期，以解释实验结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 强自旋-轨道耦合是否会导致拓扑半-Heusler半金属中轨道抗磁性的增强？
• RQ2 NMR 各向同性化学位移能否检测到超出标准值的自旋-轨道诱导轨道磁化率？
• RQ3 为何 YPtBi 和 YPdBi 尽管具有相似的晶体结构，其 NMR 化学位移符号相反？
• RQ4 拓扑能带结构在这些材料中对局域磁响应的调控作用是什么？
• RQ5 NMR 光谱学能否作为识别复杂材料中拓扑电子相的可靠探针？

主要发现

• YPtBi 和 YPdBi 中的 209Bi NMR 化学位移表现出相反符号，表明尽管晶体结构相似，其轨道响应却截然不同。
• 温度依赖性 NMR 化学位移明显偏离传统抗磁性行为，表明轨道磁化率得到增强。
• 观测到的行为归因于自旋-轨道耦合对电子波函数的修饰，从而导致轨道抗磁性增强。
• 结果提供了直接实验证据，表明自旋-轨道耦合显著提高了这些拓扑半金属中的轨道磁化率。
• 本研究确立了 NMR 各向同性化学位移可作为探测半-Heusler材料中拓扑电子相的灵敏探针。
• 研究结果表明，NMR 光谱学是筛选具有强自旋-轨道效应的新拓扑材料的可行工具。