连接磁性和电子能带拓扑的微观机制，电子表现得像没有质量一样！

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结合了拓扑、电子性质和量子磁性的材料，对它们所展示的量子多体物理以及在电子元件中可能的应用都非常令人激动。物理学家现在已经为一种这样的材料，建立了连接磁性和电子能带拓扑的微观机制。狄拉克物质是一类有趣的材料，具有有趣的性质：这些材料中的电子表现得就像它们没有质量一样。狄拉克材料最突出的物质是石墨烯，但在过去的15年里也发现了其他物质。


每一个都是探索奇异电子行为的丰富游乐场，其中一些可以为电子产品提供新的元件。然而，电子带的拓扑，以明确的方式连接到材料磁性的例子很少。一种已经观察到拓扑电子态和磁性之间相互作用的材料是CaMnBi2，但连接两者的机制尚不清楚。苏黎世理工大学固体物理实验室Leonardo Degiorgi教授光谱组的博士后Run Yang和博士生Matteo Corasaniti与美国布鲁克海文国家实验室和中国科学院的同事共同在《物理评论快报》上发表了新研究。


图示：反铁磁（上）和反铁磁倾斜（下），在后一种情况下，自旋相对于易c轴倾斜，导致在垂直于该轴的平面中由铁磁贡献（由绿色箭头表示）。
这一项全面的研究提供了明确证据，证明对磁矩的轻微推动，即所谓的自旋倾斜，会引发电子能带结构的重大变化。CaMnBi2和相关的化合物SrMnBi2显示出量子磁性，即锰离子在室温左右和更低温度下是反铁磁性的，同时承载着狄拉克电子。科学家怀疑这两种性质之间存在相互作用，在~50K时，这些材料的导电性质出现了意想不到的“凹凸”。但到目前为止，人们对这种反常现象的确切性质知之甚少。


在研究光学性质的早期研究中，Corasaniti、Yang和同事已经建立了与材料电子性质的联系，他们利用了这样一个事实：即通过用钠取代一些钙原子，传输性质中的凸起状异常可以在温度上发生变化。为了确定观察到行为的微观来源，用扭矩磁力测量法研究了不同钠掺杂的样品。在这项技术中，当磁性样品暴露在合适的强磁场中时，就像指南针与地球磁场对准一样，测量磁性样品上的扭矩，这种方法使研究小组找到了异常的起源。
磁性和电性之间的联系
在磁转矩实验中，研究人员发现，在电子输运测量中没有观察到异常的温度下，磁行为类似于反铁磁体。然而，在反常现象显现的温度下，出现了铁磁成分，这可以通过将磁矩投影到与原始反铁磁秩序的易自旋c轴正交的平面上来解释，这种现象被称为自旋倾斜，是由所谓的超级交换机制引起。这两组实验（光学和扭矩测量）得到了第一原理计算的支持。


特别地，在计算中考虑了自旋倾斜的情况下，发现了锰和铋原子之间的一种特殊的杂化，它介导了层间磁耦合，并控制了材料中的电子性质。综上所述，这项研究建立了磁性与电子能带结构变化之间的直接联系，这反映在输运性质的凸起反常上。这些发现打开了探索CaMnBi2和相关化合物电子性质的大门，以及这些有趣的物质形式中磁性和拓扑态之间的联系所产生的可能性。


博科园｜研究/来自：苏黎世联邦理工学院
参考期刊《物理评论快报》
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