中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
M09組供稿
第26期
2022年04月06日
高壓驅動的磁性拓撲相變

  相變行為普遍存在于物質世界,是材料學和物理學領域的基本現象和重要課題。在相變過程中,不同物態相互轉化,并伴隨著豐富的臨界現象。絕大多數情況下,相變可以由以序參量為自由度的朗道理論完美描述,其核心精神是局域對稱性的自發破缺。例如,磁相變是一類以磁化強度為局域序參量的朗道相變。與之相對比,拓撲相變則由描述全局對稱性的拓撲不變量進行刻畫,而無法運用傳統的朗道理論來描述。因此,拓撲物態之間的相變,包括新奇粒子的產生可能并不伴隨實空間中的結構對稱性變化。進一步地,當拓撲相變伴隨有時間反演對稱性的改變時,拓撲相變與磁相變關聯在一起,使得非傳統的拓撲相變與經典的朗道相變發生糾纏。這不僅會產生新的基本物態演化和耦合形式,也會為通過磁性/磁場的變化來調控拓撲物態提供了可能。

  Weyl半金屬是近年發現的一種拓撲準粒子態,可以存在于時間反演或空間反演破缺的體系中【延伸閱讀:實驗發現外爾費米子、新型磁性Weyl半金屬的發現及其巨反?;魻栃?/a>、時間反演對稱破缺-磁性Weyl半金屬實驗實現】。對于磁性Weyl體系,當時間反演對稱性恢復后,或者非磁性Weyl體系恢復中心反演對稱性后,如果仍然保持能帶反轉特征,則有可能轉變為拓撲絕緣體,并伴隨Weyl點湮滅的拓撲相變。因此,一對手性相反的Weyl點的湮滅有兩種方式,一種是非磁性Weyl半金屬中的“帶內”(指一組交叉能帶)湮滅;另一種是磁性Weyl半金屬中的“帶間”(指兩組自旋相反的交叉能帶)湮滅,如圖1示意。前一種過程需要恢復中心反演對稱性,不容易觸發;而后一種過程由于和體系的磁性相關,可以借由抑制磁性的方式恢復體系的時間反演對稱性,進而誘發相應的拓撲相變。

  繼磁性Weyl半金屬Co3Sn2S2被發現以來,其拓撲態對基本電、熱、光等物性的影響,以及其磁性和拓撲物性的耦合得到了廣泛的研究【延伸閱讀:磁性外爾半金屬中局域無序誘發的拓撲能帶調制效應、磁性外爾體系巨反?;魻栃膬?外稟雙機制設計、紅外光譜研究磁性外爾半金屬中電子關聯導致平帶取得進展、外爾費米子與鐵磁自旋波共舞、在磁性外爾半金屬中首次提出“自旋軌道極化子”概念】。該磁性拓撲體系的出現為磁性拓撲相變提供了可選的平臺。有研究表明,施加等靜壓可影響Co3Sn2S2體系的磁性和拓撲主導的反?;魻栃?。與溫度誘發的相變不同,壓力對體系磁性和拓撲物性的影響可以發生在較低溫度,受熱擾動的影響較小,可以觀察到更加本征的拓撲相變過程(如圖1(c)示意)。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的劉恩克研究員主要從事磁性拓撲與磁性相變材料研究。實現了首個磁性外爾費米子拓撲半金屬,提出了全過渡族Heusler合金新家族,發現了磁相變材料的“居里溫度窗口”效應。最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M09課題組博士后曾慶祺和劉恩克研究員等,與南方科技大學劉奇航副教授課題組、北京高壓中心王永剛研究員課題組等合作,結合磁相變和拓撲相變的思路,測量高壓下的結構、磁性、電輸運,并進行了高壓下的理論計算,得到了Co3Sn2S2體系拓撲電輸運性質隨壓力的演變過程,實現了磁性外爾費米子態-非磁性拓撲絕緣體態的磁性拓撲相變。隨著等靜壓的施加,體系的居里溫度由175 K逐漸下降,Hall曲線回滯特征逐漸減弱直至消失(圖2),表明體系在常壓下的鐵磁性逐漸被抑制??紤]了面內反鐵磁分量的計算結果與實驗測量所得反常Hall電導的變化和趨勢可以很好地吻合(圖3),說明施加壓力的過程中,體系在面外鐵磁性的基礎上還出現了面內的反鐵磁分量。實驗和計算結果表明,經由上述非線性磁結構的中間狀態,體系在40 GPa高壓下自旋極化消失(時間反演對稱恢復),轉變為自旋簡并的Pauli順磁態(圖3,圖1)。對順磁態的能帶結構定義彎曲的費米能級可以得到體系的拓撲數Z2=1,表明該順磁態具有拓撲特性,是“廣義的”拓撲絕緣體態(圖1)。圖4為Weyl點在加壓過程中的移動軌跡??梢钥吹?,來自不同自旋通道的手性相反的Weyl點在高壓下相遇,進而成對湮滅。

  以上電輸運測量和第一性原理計算表明,等靜壓誘發Co3Sn2S2體系的磁性拓撲相變,驅動面外鐵磁性Weyl半金屬經由具有面內反鐵磁分量的磁性Weyl態,轉變為自旋簡并的Pauli順磁拓撲絕緣體態。同時Weyl點的湮滅表現出不同自旋通道的帶間湮滅新形式,與以往的中心反演破缺Weyl體系中的帶內湮滅不同。最近,該體系的這一拓撲相變在常壓下居里溫度附近也被變溫角分辨光電子能譜實驗所證實【Phys. Rev. B 104 (2021) 205140】。

  本工作實現了磁性外爾材料中存在的磁性拓撲相變,揭示了壓力及溫度作為物相空間的兩個自由度可對拓撲磁體的拓撲物態進行聯合調控,并有望促進磁性拓撲體系的拓撲物態和物性調控的進一步研究。相關內容以 “Pressure‐Driven Magneto‐Topological Phase Transition in a Magnetic Weyl Semimetal”為題名發表在Advanced Quantum Technologies雜志上。

  該工作得到了基金委基礎科學中心、科技部重點研發、中科院先導(B)、中科院重大科研儀器研制等項目的支持。

  相關工作鏈接:https://doi.org/10.1002/qute.202100149


圖1 Weyl半金屬的拓撲相變


圖2 Hall響應隨壓力的演變

圖3 (a) 分子磁矩和反常Hall電導隨壓力的變化。Exp.代表實驗測量值。(b)零壓下的能帶結構,對自旋做Sz投影可以區分不同的自旋通道。(c) 高壓抑制自發磁化后體系的能帶結構。


圖4 Weyl點的kz分量隨壓力的演變