進展|外爾費米子與鐵磁自旋波共舞

2020-12-14 中科院物理所

外爾半金屬的費米面有且僅有孤立的能帶交叉點構成，因而其低能激發的準粒子可以用描述外爾費米子的外爾方程來刻畫，具有外爾費米子的零質量、確定手性等特徵。雖然自由粒子形式的外爾費米子至今未能被實驗確認，但在外爾半金屬中卻能夠實現外爾費米子形式的準粒子，這為研究外爾費米子的行為提供了新的途徑。固體中的外爾費米子準粒子還具有不同於真空中真實粒子的獨特物理性質和新奇現象，譬如費米弧和手性反常導致的磁阻效應、內稟反常霍爾效應、三維量子霍爾效應等。因此，首個非磁性外爾半金屬TaAs家族材料的發現具有重要科學意義，極大地推動了外爾半金屬的研究進展。另一類破壞時間反演對稱性的磁性外爾半金屬在近期也得到了材料實現和密切研究。

首個實驗確認的磁性外爾半金屬Co3Sn2S2於2018年被提出【見科研進展：新型磁性Weyl半金屬的發現及其巨反常霍爾效應】，並被相關譜學實驗證實【見科研進展：時間反演對稱破缺-磁性Weyl半金屬實驗實現】。目前，Co3Sn2S2已經成為磁性拓撲物理前沿研究的一個重要平臺。Co3Sn2S2屬於Shandite化合物，其中Co原子構成層狀kagome結構，具有c方向極化的面外鐵磁序，磁矩強度為0.3 μB/Co，居裡溫度約為175 K。能帶拓撲結構中，有三對外爾費米點靠近費米能級（圖1）。由於外爾費米子可當作是動量空間的贗磁場——貝利曲率的磁單極子，它們將影響實空間中電子的運動，譬如產生內稟反常霍爾效應等。拓撲效應主導的內稟反常霍爾電導能抵禦材料缺陷和外部熱擾動的破壞，具有很高的穩定性，有利於量子器件的應用。在磁性外爾半金屬中，內稟反常霍爾電導與一對手性相反的外爾費米子在動量空間的間距基本成正比，並與外爾費米子到費米能級的遠近有關。磁性狀態的變化能夠影響電子結構，進而使得外爾費米子的位置和能量產生變化。可以預想，當材料中有序排列的磁矩因集體運動產生自旋波時，內部的外爾費米子也將隨之被擾動，從而使得反常霍爾電導也受到影響。反過來說，外爾費米子作為動量空間的磁單極子，藉助系統的自旋-軌道耦合效應，其中的自旋波色散也將受其影響，體現為材料中自旋波的剛度（或斜率）和能隙的溫度依賴行為與外爾費米子有內在關聯（圖2）。

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SC8組羅會仟副研究員指導的博士生劉暢，與M05組劉恩克副研究員指導的博士生申建雷、T03組翁紅明研究員指導的博士生高嘉成、EX10組石友國研究員指導的博士生伊長江等密切合作，利用非彈性中子散射精細測量了Co3Sn2S2單晶的低能自旋波，並用唯象理論模型分析了其自旋相互作用和自旋波能隙的溫度依賴關係等。他們發現，不同於材料的準二維晶體結構，其鐵磁自旋波在低溫下具有明顯的三維特徵，即在ab面內和c方向均存在不同程度的色散（圖3），表明該體系具有三維磁交換作用，且層間強度是層內的一半。類似的色散延續到高溫順磁態中，表明了體系具有中等程度的三維自旋關聯效應。數值計算結果很好地印證了這一結論，並估算出與實驗值接近的居裡溫度和自旋波剛度，其磁各向異性能約為0.6 meV。然而，高精度的中子散射測量表明，在4 K溫度下，自旋波能隙完全打開，高達2.3 meV。詳細的溫度依賴關係表明，自旋波能隙並不完全服從鐵磁序參量的行為，而必須充分考慮反常霍爾電導的影響，體現了外爾費米子與自旋波的相互影響（圖4）。此前，在SrRuO3中的研究表明非單調溫度依賴自旋波剛度和能隙與反常霍爾電、導率行為很類似，但是該材料尚未有關於外爾費米子的確鑿譜學證據。而在其他一些磁性拓撲半金屬候選材料中，自旋波與拓撲費米子是否存在耦合仍存有較大爭議。該研究不僅給出了磁性外爾半金屬Co3Sn2S2中的磁性相互作用參數等關鍵信息，而且明確表明電子拓撲態與自旋動力學之間存在互相影響，這為理解磁性拓撲材料提供了物理基礎，並以此啟發了該材料體系拓撲物態調控的可能思路。

上述研究工作於2020年6月24日被SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA)正式接收，並於8月24日提前在線發表【C. Liu, J. Shen, J. Gao et al., Sci. China-Phys. Mech. Astron. 64, 217062 (2021)】。該工作得到了SCPMA期刊主編謝心澄院士的推薦（Editor’s Focus），並被選為2021年1月封面文章，同期發表來自以色列魏茲曼研究所Binghai Yan題為「Weyl monopoles dance with the spin waves」的點評文章。

以上中子散射實驗在澳大利亞中子散射中心Taipan和Sika兩臺三軸譜儀上完成，得到了譜儀科學家Sergey Danilkin和 Guochu Deng的幫助。該研究工作得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院B類先導專項、中科院青促會等項目的支持。

論文連結：https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/64/1/10.1007/s11433-020-1597-6?slug=fulltext

圖1. (a)Co3Sn2S2的晶體結構和鐵磁結構。(b) 外爾費米子在動量空間位置

圖2. 外爾費米子與自旋波共舞

圖3.Co3Sn2S2的自旋波在ab面(H方向)和c方向(L方向)的色散

圖4.Co3Sn2S2的自旋波能隙及其隨溫度的演化，其中虛線為參照鐵磁序參量擬合結果(b=0)，紅色空心點為考慮反常霍爾電導貢獻之後的數據擬合結果(b≠0)

編輯：Dannis

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