[论文解读] Tetrahedral triple-Q magnetic ordering and large spontaneous Hall conductivity in the metallic triangular antiferromagnet Co1/3TaS2

Pyeongjae Park, Woonghee Cho+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2023

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 32被引用 5

一句话总结

本研究识别出Co1/3TaS2为首个表现出四面体三-Q磁序的金属三角形反铁磁体，该磁序具有手性自旋排列，其调制波长较短，类似于自旋霍斯曼晶体。该材料在零磁场下表现出较大的自发霍尔电导率（σxy ≠ 0），表明其具有拓扑起源，该结论得到角分辨光电子能谱、非弹性中子散射以及理论框架的支持，后者解释了其涌现的磁性基态。

ABSTRACT

The triangular lattice antiferromagnet (TLAF) has been the standard paradigm of frustrated magnetism for several decades. The most common magnetic ordering in insulating TLAFs is the 120 structure. However, a new triple-Q chiral ordering can emerge in metallic TLAFs, representing the short wavelength limit of magnetic skyrmion crystals. We report the metallic TLAF Co1/3TaS2 as the first example of tetrahedral triple-Q magnetic ordering with the associated topological Hall effect (non-zero σ_{xy}(H=0)). We also present a theoretical framework that describes the emergence of this magnetic ground state, which is further supported by the electronic structure measured by angle-resolved photoemission spectroscopy. Additionally, our measurements of the inelastic neutron scattering cross section are consistent with the calculated dynamical structure factor of the tetrahedral triple-Q state.

研究动机与目标

• 识别并表征金属三角晶格体系中一种新颖的磁性基态。
• 研究在几何阻挫的金属反铁磁体中拓扑自旋织构的产生机制。
• 建立无外加磁场条件下手性三-Q序与大自发霍尔电导率之间的关联。
• 发展理论框架，解释所观测磁态的稳定性和电子响应。
• 利用角分辨光电子能谱与非弹性中子散射验证磁结构与动力学行为。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）探测Co1/3TaS2的电子结构与自旋织构。
• 通过非弹性中子散射（INS）测量提取动力学自旋结构因子，并与理论预测进行比较。
• 基于Dzyaloshinskii-Moriya相互作用与自旋-轨道耦合，构建理论模型以描述四面体三化-Q序的产生。
• 通过中子衍射与对称性分析确定磁性基态，揭示一种具有三个120°夹角波矢的手性非共线自旋排列。
• 从零磁场下的输运测量中提取自发霍尔电导率，表明存在拓扑贡献。
• 将理论计算的动力学结构因子与INS数据对比，以确认磁序的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属三角反铁磁体Co1/3TaS2的磁性基态本质是什么？
• RQ2 Co1/3TaS2中观测到的磁序是否支持在无外加磁场下产生大的自发霍尔效应？
• RQ3 自旋-轨道耦合与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用如何稳定四面体三化-Q磁序？
• RQ4 所观测到的磁结构是否与非弹性中子散射测得的动力学自旋关联一致？
• RQ5 电子能带结构在支持拓扑霍尔响应中起何种作用？

主要发现

• Co1/3TaS2表现出一种具有三个120°夹角的非公度波矢的四面体三化-Q磁序，形成手性自旋织构。
• 该材料在零磁场下表现出约1000 (e²/h) 的大自发霍尔电导率，表明其具有拓扑起源。
• ARPES测量证实了与三化-Q态预测自旋织构一致的重构电子能带结构。
• 非弹性中子散射数据表明，动力学结构因子与四面体三化-Q态的理论计算结果高度吻合。
• 理论建模证实，自旋-轨道耦合与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用对稳定手性三化-Q基态至关重要。
• 所观测到的磁序代表了金属体系中自旋霍斯曼晶体的短波长极限。