平帶鐵磁有序研究取得進展

2020-12-01 中國科學院

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心和中國科學技術大學雙聘教授陸輕鈾與中國科大教授曾長淦合作，首次在具有平帶結構的Fe3Sn2晶體中，獲取了鐵磁結構研究的新進展，並且結合理論闡述了其高溫鐵磁機制。

　　在電子能帶理論中，固體能帶結構是通過解電子在周期勢中運動的單電子薛丁格方程而得到。通過設計恰當的晶格結構，許多重要的能帶結構被創造出來，例如，線性耗散的狄拉克能帶。平帶是具有高度簡併及無耗散的多重電子態，蘊藏著許多奇異的量子效應，比如，局域化導致的超重電子、高溫分數量子霍爾效應、高溫超導等。雖然提出了許多製造平帶的晶格幾何圖，但到目前為止，還沒有在真實的材料中實現明顯的平帶結構。

　　如圖1，Fe3Sn2晶體由兩個Fe-Sn層和一個Sn層周期排列構成，其中每兩個Fe-Sn層被一個Sn層分隔開，並且每個Fe-Sn層的Fe原子構成Kagome晶格（一種竹籃的交錯對稱、角共享的三角形編織圖案）。研究發現，電子布洛赫波函數幹涉相消導致電子被束縛在Fe原子構成的Kagome晶格中，進而導致近乎無色散的平帶。通過對Fe3Sn2磁性性質的測量，合作組發現在2K時每個Fe原子的飽和磁矩大約為1.94 μB，而且其居裡溫度大概為610K。分子內交換作用形成的局域磁矩通過Kagome晶格中獨特的六角單元形成鐵磁耦合。通過SHMFF自主研製的磁力顯微鏡（MFM）的高靈敏成像研究，合作組直接觀察到了Fe3Sn2的表面磁性結構（見圖2），其表面磁疇呈清晰的條紋狀，證明了Fe3Sn2表面附近存在長程的鐵磁序。

　　該研究第一次展示了真實準二維Kagome晶格材料Fe3Sn2中平帶的存在，並且為相應晶格驅動的長程鐵磁序的存在提供了直接觀測證據。未來對平帶電子結構的進一步調控研究，包括費米面位置調節、磁結構調控等，將有可能實現其它在拓撲量子計算方面有應用前景的新奇量子態。

　　相關研究論文以Flatbands and Emergent Ferromagnetic Ordering in Fe3Sn2 Kagome Lattices 為標題，並作為「封面論文」以及「編輯推薦（Editors』 Suggestion）論文」發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters，121, 096401(2018)）上。

　　上述研究工作得到國家自然科學基金委、科技部、教育部以及量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。

　　論文連結 

 

　　圖1.（a）Kageme lattice中正六邊形結構上的波函數示意圖。（b），（c）塊材Fe3Sn2結構的俯視圖及側視圖。（d）Fe3Sn2截面圖的TEM圖像。（e）Fe3Sn2的大範圍STM圖像

 

圖2.（a）Fe3Sn2的AFM圖像。（b）大範圍MFM圖像。（c）圖b中紅色區域MFM圖像 

相關焦點

  • 進展|二維室溫鐵磁材料研究取得進展
    當二維材料的厚度降低至原子級幅度時可導致很多新奇物理現象的出現，使得二維材料成為當今凝聚態物理和材料科學的研究熱點。二維鐵磁體作為二維材料家族的重要組成部分，因其獨特的物理特性而備受關注。通常，隨著二維鐵磁體厚度的降低，其鐵磁有序居裡溫度TC也會降低，鮮有材料會隨著厚度的降低TC反而升高。
  • 進展|HgCr2Se4的高壓調控研究取得新進展
    上世紀70年代人們發現尖晶石結構的ACr2X4(A = Cd, Hg, X=Se, S)具有鐵磁半導體性質，其中Cr3+離子局域磁矩通過超交換形成長程鐵磁序，而s-d交換相互作用使s軌道電子主導的導帶發生較大的自旋劈裂。由於這類材料中自旋和電荷自由度間的強烈耦合造成了許多有趣現象，在過去幾十年吸引了較多關注。
  • 南開大學平帶光子學領域國際合作研究取得重要進展
    南開新聞網訊（通訊員 唐莉勤 記者 喬仁銘）近日，南開大學物理科學學院與韓國基礎科學研究院的科研人員合作，在平帶光子學領域取得重要研究進展。他們首次在特殊設計的平帶光子晶格中實驗直接觀測到類似三維圓環面上的新型環狀平帶模式，揭示了平帶晶格系統中的實空間拓撲特性。
  • 有序介孔材料研究取得系列進展
    具有高比表面積、孔徑尺寸可調及大孔容的有序介孔材料因其在催化、氣體分離、藥物載體、氣體傳感及電化學能源存儲等領域的廣泛應用前景，成為世界範圍內的研究熱點之一
  • 外爾費米子與鐵磁自旋波共舞研究獲進展
    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，推動了外爾半金屬的研究進展。
  • 外爾費米子與鐵磁自旋波共舞研究獲進展
    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，推動了外爾半金屬的研究進展。
  • 進展 | 高壓製備具有高自旋有序溫度的發光磁性半導體
    然而，大多數磁性半導體 - 譬如磁性離子摻雜的稀磁半導體以及EuO、CdCr2S4等非摻雜的本徵鐵磁半導體 - 均具有遠低於室溫的磁有序溫度，大大限制了這類材料的潛在應用。因而，如何製備具有室溫以上磁有序溫度且磁、光、電等多種功能屬性耦合在一起的磁性半導體材料是極具挑戰的研究方向。
  • 進展|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
    中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX1組諶志國特聘研究員指導碩士研究生徐越山，與西南科技大學趙建洲博士等合作者開展了磁性外爾半金屬Co3Sn2S2中電子關聯效應的紅外光譜研究。
  • 進展 | 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
    中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX1組諶志國特聘研究員指導碩士研究生徐越山，與西南科技大學趙建洲博士等合作者開展了磁性外爾半金屬Co3Sn2S2中電子關聯效應的紅外光譜研究。
  • 進展|高壓製備具有高自旋有序溫度的發光磁性半導體
    然而，大多數磁性半導體 - 譬如磁性離子摻雜的稀磁半導體以及EuO、CdCr2S4等非摻雜的本徵鐵磁半導體 - 均具有遠低於室溫的磁有序溫度，大大限制了這類材料的潛在應用。因而，如何製備具有室溫以上磁有序溫度且磁、光、電等多種功能屬性耦合在一起的磁性半導體材料是極具挑戰的研究方向。
  • 巡遊電子量子臨界行為研究取得進展
    近年來，以新的模型設計和算法突破為代表的大規模量子蒙特卡洛計算取得了長足的進展，為定量研究巡遊電子量子臨界現象，檢驗諸多解析猜測的正確性和發展新的理論框架開闢了道路。研究人員通過將無相互作用的費米面與各種玻色子臨界漲落耦合起來，成功設計出伊辛向列相、電荷密度波、鐵磁和反鐵磁自旋密度波以及Z2或者U(1)規範場等臨界漲落與費米子耦合的模型，並且繞過了量子多體系統蒙特卡洛模擬中常見的符號問題，為定量研究眾多巡遊量子臨界系統打開了數值的可能性。
  • 鐵磁絕緣體中磁子輸運性質的全電學方法研究獲進展
    該項研究工作製備出的Pt/YIG/Pt—重金屬/鐵磁絕緣體/重金屬這種新型層狀自旋閥結構，對於研究鐵磁絕緣體中磁子的輸運性質具有重要的實驗與理論指導意義，是「鐵磁絕緣體自旋電子學」中非常有代表性的突破性進展，它充分表明以鐵磁絕緣體中磁子作為自旋信息載體的一類新型自旋電子學核心器件具有重要的應用前景，即以鐵磁絕緣體中的磁子作為自旋信息的載體，可以克服電荷流動產生的焦耳熱的影響，具有低能耗的特性
  • 進展 | 外爾費米子與鐵磁自旋波共舞
    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。
  • 進展|外爾費米子與鐵磁自旋波共舞
    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。
  • 科學家在自旋極化輸運研究中取得進展
    近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員鄭小宏小組與加拿大麥吉爾大學、山西大學等國內外單位合作，在基於二維垂直異質結獲得完全自旋極化電流的研究中取得新的進展
  • 中國科學家用伊辛模型研究自旋玻璃獲進展
    中國青年報客戶端北京8月5日電（中青報•中青網記者 邱晨輝）記者今天從中國科學院金屬研究所獲悉，該所研究員張志東近日在解決鐵磁性三維伊辛模型精確解這個物理學難題後，又在計算機領域計算複雜性理論研究方面取得重要進展。相關成果日前發表在學術期刊《材料科學與技術》。玻璃是我們日常生活中經常使用的用品，理解玻璃的形成機制以及動力學行為是一個重大科學問題。
  • 哈工大在石墨烯功能化研究方面取得重要進展
    近日，哈爾濱工業大學化工與化學學院於淼教授課題組在石墨烯功能化方面取得了重要進展。該工作通過精細調控局域雜化模式打開石墨烯帶隙，首次在原子尺度實現了石墨烯的二維長程有序功能化，為石墨烯基二維材料在電子器件和光電器件應用方面的關鍵難題提供了有效解決方法。
  • 物理所寬禁帶半導體磁性起源研究取得新進展
    中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）陳小龍研究員及其領導的功能晶體研究與應用中心一直致力於寬禁帶半導體磁性起源問題的研究。最近，他們從實驗和理論上證明了雙空位導致磁性，首次在實驗上給出了直接證據，為通過缺陷工程調控寬禁帶半導體的磁性提供了實驗基礎，相應結果發表在Phys. Rev. Lett. 106, 087205 (2011)上。
  • 合肥研究院在新型金屬負熱膨脹材料研究方面取得新進展
    近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所功能材料研究室研究員童鵬課題組在金屬負熱膨脹（Negative thermal expansion, NTE）材料研究方面取得新進展與展寬的NTE相對應的不再是鐵磁-反鐵磁轉變，而是鐵磁-順磁相變。
  • 物理所電子鐵電體研究取得新進展
    中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）李建奇研究組近幾年來一直致力於電荷有序多鐵材料的微結構與物理性能的關聯研究，在新型電子型鐵電體LuFe2O4 體系電荷有序及自發極化機理研究中取得系列進展 【Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 247602; Phys. Rev. B.