进展｜实验证实磁性拓扑半金属EuB₆

中科院物理所

2021/05/21 16:15

时间反演对称和能带拓扑的相互作用是拓扑物态研究的关键之一。在时间反演不变体系中，宇称相反的自旋简并能带发生反转会导致非平庸拓扑态的产生，比如量子自旋霍尔效应的实现和狄拉克半金属的发现。而在磁性材料中，磁有序会破缺时间反演对称，宇称相反的自旋劈裂能带发生反转会产生更多新奇的拓扑态，比如量子反常霍尔效应和磁性外尔半金属态，这是当前凝聚态物理领域的前沿热点研究之一。

2020年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心T03组博士生聂思敏（现为斯坦福大学博士后）、王志俊特聘研究员、翁红明研究员、方忠院士和香港科技大学戴希教授等人【Phys. Rev. Lett. 124， 076403 （2020）】通过第一性原理计算和低能有效模型分析，预言EuB6在顺磁态是拓扑平庸的窄带隙半导体，进入铁磁态后，时间反演对称破缺，交换场会导致能带劈裂，自旋向上态的能隙减小而自旋向下态的能隙变大，最终自旋向上的能带发生反转，形成磁性拓扑半金属态（图1e）。在2002年，Denlinger等人【Phys. Rev. Lett. 89， 157601 （2002）】就利用角分辨光电子能谱（ARPES）测量了EuB6的电子结构，实验结果显示在顺磁态的能带结构有约1eV的带隙，与理论计算不符。

图1. EuB6的计算电子结构和磁性质。

中科院物理所EX7组博士生高顺业、钱天研究员和丁洪研究员，EX10组博士后伊长江和石友国研究员，T03组王志俊特聘研究员，中国人民大学博士生徐升和夏天龙教授，丹麦技术大学博士后李航，斯坦福大学博士后聂思敏等合作，利用同步辐射光源ARPES再次对EuB6的电子结构进行了仔细的测量，发现EuB6（001）解理面存在Eu和B两种截止面。在Eu截止面上观测到的是悬挂键形成的平庸表面态，与早期的ARPES结果一致。在B截止面上，他们观测到了体态的能带，与理论计算符合（图2）。他们继续测量了B截止面体态能带随温度的变化，观测到伴随铁磁转变发生自旋劈裂和能带反转，在铁磁态形成了时间反演对称破缺的磁性拓扑半金属态（图3）。

图2. 顺磁态下Eu截止面和B截止面的ARPES实验结果。

图3. B截止面的温度依赖ARPES实验结果。

与之前实验证实的磁性拓扑半金属材料相比，EuB6磁性拓扑半金属态的电子结构十分理想，能带交叉位于费米能级并且没有其他能带的干扰，有利于相关的拓扑物性的实现和研究，比如在二维极限下EuB6薄膜的量子反常霍尔效应。

‍图4. 铁磁态下B截止面的面内和面外ARPES实验结果。

编辑：dogcraft

来源：中科院物理所