[论文解读] Origin of spin reorientation and intrinsic anomalous Hall effect in the kagome ferrimagnet TbMn6Sn6

D. Connor Jones, Suvadip Das+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 11

一句话总结

本研究通过结合实验、平均场理论和第一性原理计算，阐明了kagome铁榴石 TbMn6Sn6 中自旋再取向和本征异常霍尔效应（AHC）的起源。研究发现，Tb 与 Mn 自旋动力学的差异——Tb 中自旋涨落更强——导致在 309 K 以下发生 90° 自旋再取向；而 AHC 源于复杂的三维费米面杂化，而非 kagome 狄拉克点，理论计算的 AHC（50–80 S cm⁻¹）与实验结果具有良好半定量一致性。

ABSTRACT

TbMn$_6$Sn$_6$ has attracted a lot of recent interest for a variety of reasons, most importantly, because of the hypothesis that it may support quantum-limit Chern topological magnetism, derived from the kagome geometry. Besides, TbMn$_6$Sn$_6$ features a highly unusual magnetic reorientation transition about 100 K below the Curie point, whereby all spins in the system, remaining collinear, rotate by 90$^\circ$. In this work, we address both issues combining experiment, mean-field theory and first-principle calculations. Both magnetic reorientation and the unusual temperature dependence of the anomalous Hall conductivity (AHC) find quantitative explanation in the fact that Mn and Tb, by virtue of the Mermin-Wagner theorem, have very different spin dynamics, with Tb spins experiencing much more rapid fluctuation. We were able to cleanly extract the intrinsic AHC from our experiment, and calculated the same microscopically, with good semiquantitative agreement. We have identified the points in the band structure responsible for the AHC and showed that they are not the kagome-derived Dirac points at the K-corner of the Brillouin zone, as conjectured previously.

研究动机与目标

• 理解为何 TbMn6Sn6 展现出与 Y 基类似物 YMn6Sn6 不同的共线铁榴石基态。
• 解释在居里温度以下约 100 K 处发生的自旋再取向转变，即所有自旋旋转 90° 但仍保持共线。
• 确定 TbMn6Sn6 中大本征异常霍尔电导率（AHC）的微观起源。
• 澄清 AHC 与纵向电阻率之间的标度行为，包括自旋波与非本征效应的贡献。

提出的方法

• 在 TbMn6Sn6 中进行了磁化率、电输运性质和异常霍尔效应的实验测量。
• 应用平均场理论，模拟 Tb 的易轴各向异性能与 Mn 的易面各向异性能之间的竞争。
• 采用包含自旋-轨道耦合的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，获得电子能带结构与贝里曲率。
• 利用 Kubo 公式计算本征 AHC，并分析布里渊区不同区域的贡献。
• 通过费米能级调节（±50 meV）评估掺杂效应对 AHC 的影响，并与实验值比较。
• 映射贝里曲率的贡献，识别主要能带贡献，排除 K 点狄拉克锥为主要来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何 TbMn6Sn6 在约 309 K 处发生自旋再取向转变，而 YMn6Sn6 保持螺旋反铁磁态？
• RQ2 TbMn6Sn6 中大本征异常霍尔电导率的成因是什么？是否与 K 点处的拓扑狄拉克点有关？
• RQ3 Tb 与 Mn 之间自旋动力学与磁各向异性差异如何调控再取向转变？
• RQ4 AHC 与纵向电阻率之间的标度关系的起源是什么？自旋波在其中扮演何种角色？
• RQ5 为何 TbMn6Sn6 中的 AHC 显著大于简单二维 kagome 模型的预测值？

主要发现

• 自旋再取向转变源于温度依赖的 Tb 磁各向异性抑制，这是由于自旋涨落增强，导致其有效磁矩与各向异性在约 209 K 以下显著降低。
• Mn 层之间的有效交换耦合为铁磁性，由 Tb 介导的间接交换作用所稳定，从而形成共线铁榴石基态。
• 在理论费米能级处，本征 AHC 计算值为 50 ± 1 S cm⁻¹，当费米能级上移 50 meV 时上升至约 80 S cm⁻¹，与实验结果具有良好半定量一致性。
• AHC 的主要贡献来自 K₂ 和 Γ₂ 点附近的杂化能带，以及 A 与 L 之间一个意外的自旋向下狄拉克点，而非 K 点狄拉克锥。
• AHC 并非由单一拓扑能带驱动，而是源于复杂的三维费米面特征，凸显多轨道与三维电子结构的重要性。
• 自旋波贡献及可能的非本征效应可解释理论与实验之间约 40% 的剩余差异。