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Eu(Al,Ga)₄拓撲反鐵磁體的實驗進展綜述


核心概念
Eu(Al,Ga)₄系列化合物作為一種新興的拓撲磁體,展現出豐富的物理特性,包括非平庸的磁性和電子結構、拓撲霍爾效應以及可能存在的磁性斯格明子等拓撲自旋紋理,為探索拓撲物理及其應用提供了理想平台。
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本文回顧了Eu(Al,Ga)₄拓撲反鐵磁體的最新實驗進展,重點關注其晶體結構、電荷密度波、磁性和輸運特性、拓撲霍爾效應以及可能的拓撲自旋紋理。 1. 晶體結構與電荷密度波 Eu(Al,Ga)₄化合物屬於BaAl₄型晶體結構,具有四方對稱性。 SrAl₄和EuAl₄在低溫下會發生電荷密度波(CDW)轉變,轉變溫度分別為TCDW ~ 243 K和140 K。 EuGa₄在常壓下不表現出CDW轉變,但在施加壓力下會出現CDW相。 CDW的形成機制尚不清楚,但可能與費米面嵌套和強電子-聲子耦合有關。 2. 磁性和輸運特性 EuAl₄和EuGa₄都是反鐵磁體,奈爾溫度分別為TN ~ 15.6 K和16.5 K。 EuAl₄在反鐵磁態下會經歷一系列亞鐵磁轉變,而EuGa₄的磁化強度則表現出平滑的飽和行為。 兩種化合物都表現出較大的磁阻,特別是EuGa₄在2 K和9 T的磁場下磁阻高達~7 × 10⁴%。 拓撲霍爾效應在EuAl₄和EuGa₄中都有觀察到,這表明可能存在拓撲自旋紋理,例如磁性斯格明子。 3. 拓撲特性 中子散射和同步輻射共振X射線散射實驗證實了EuAl₄中存在磁性斯格明子。 μSR實驗表明,Eu(Al,Ga)₄在反鐵磁態和順磁態都存在強烈的自旋漲落。 核磁共振(NMR)研究揭示了Eu(Al,Ga)₄中的磁性和電荷有序。 磁光光譜研究表明,CDW對Eu(Al,Ga)₄的光學性質有顯著影響。 角分辨光電子能譜(ARPES)和量子振盪(QO)實驗為研究Eu(Al,Ga)₄的電子能帶拓撲提供了重要信息。 4. 總結與展望 Eu(Al,Ga)₄系列化合物作為一種新興的拓撲磁體,為研究拓撲物理及其應用提供了理想平台。未來的研究方向包括: 進一步研究CDW的形成機制以及其與磁性的相互作用。 探索Eu(Al,Ga)₄中其他可能的拓撲自旋紋理,例如磁性單極子和磁性外爾費米子。 研究Eu(Al,Ga)₄的拓撲特性在自旋電子學和量子計算等领域的潜在应用。
統計資料
EuAl₄的奈爾溫度為TN ∼15.6 K。 EuGa₄的奈爾溫度為TN ∼16.5 K。 EuAl₄在2 K和9 T的磁場下磁阻達到∼800%。 EuGa₄在2 K和9 T的磁場下磁阻達到∼7 × 10⁴%。 SrAl₄的電荷密度波轉變溫度為TCDW ∼243 K。 EuAl₄的電荷密度波轉變溫度為TCDW ∼140 K。

從以下內容提煉的關鍵洞見

by Tian Shang, ... arxiv.org 10-15-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.10201.pdf
Experimental progress in Eu(Al,Ga)$_4$ topological antiferromagnets

深入探究

如何利用化學摻雜或外部壓力等手段調控Eu(Al,Ga)₄的拓撲特性?

在 Eu(Al,Ga)₄ 家族化合物中,可以通过化学掺杂或外部压力有效地调控其拓扑特性,主要体现在以下几个方面: 1. 化學摻雜: 改变费米能级位置和态密度: 化学掺杂可以引入额外的电子或空穴载流子,从而改变费米能级的位置和态密度。这将直接影响到材料的电子结构,进而影响其拓扑性质,例如: 在 EuAl₄ 中, Al 原子被 Ga 替换后,会降低材料的晶胞体积,进而抑制电荷密度波 (CDW) 的形成,最终导致 CDW 消失。 在 Eu(Al,Ga)₄ 体系中,Zn 或 Si 掺杂可以有效调节体系的磁性相互作用,改变磁性转变温度,进而影响其拓扑磁性。 改变晶格常数和对称性: 不同元素的离子半径和化学键性质不同,掺杂会在一定程度上改变材料的晶格常数和对称性,进而影响其电子结构和拓扑性质。例如,在 SrAl₄ 中,Si 掺杂会抑制结构相变,并诱发超导电性。 2. 外部壓力: 调节晶格间距和电子结构: 施加外部压力可以有效地压缩或拉伸晶格,改变原子间的距离和相互作用,进而影响材料的电子结构和拓扑性质。例如: 在 EuAl₄ 和 SrAl₄ 中,施加外部压力会抑制 CDW 的形成,导致 CDW 转变温度降低。 与 EuAl₄ 和 SrAl₄ 不同,EuGa₄ 在常压下不具有 CDW 序,但施加压力后会诱发 CDW 序,且 CDW 转变温度随压力增加而升高。 总而言之,通过化学掺杂和外部压力等手段可以有效地调控 Eu(Al,Ga)₄ 家族化合物的晶格结构、电子结构以及磁性,进而实现对其拓扑特性的调控。

是否存在其他拓撲磁體也同時具有電荷密度波和磁性斯格明子?

目前,除了 EuAl₄ 之外,还没有发现其他同时具有电荷密度波 (CDW) 和磁性斯格明子的拓扑磁体。 EuAl₄ 的独特之处在于其同时具备以下特性: 中心对称结构: 与大多数需要非中心对称结构来稳定斯格明子的材料不同,EuAl₄ 具有中心对称结构,这使得其斯格明子的形成机制更加复杂和有趣。 共存的 CDW 和 AFM 序: EuAl₄ 在低温下同时表现出 CDW 和反铁磁 (AFM) 序,这两种序之间存在着相互耦合,为斯格明子的形成提供了潜在的条件。 寻找其他同时具有 CDW 和磁性斯格明子的拓扑磁体是一个具有挑战性但非常有意义的研究方向。可以从以下几个方面着手: 探索与 EuAl₄ 结构类似的材料: 例如,可以研究其他 AAl₄ (A = Ca, Sr, Ba) 化合物,或者通过化学掺杂对其进行改性,尝试在其中寻找 CDW 和斯格明子共存的体系。 关注具有强自旋轨道耦合和电子关联的材料: 这类材料更容易出现非平庸的拓扑性质和磁性,例如,可以关注一些具有 Kagome 晶格结构的材料。 发展新的材料合成和表征手段: 例如,可以通过薄膜生长技术制备高质量的材料,并利用先进的表征手段,如洛伦兹透射电子显微镜 (L-TEM) 和自旋极化扫描隧道显微镜 (SP-STM) 等,对材料的磁结构进行更加精细的探测。

拓撲材料的發現對未來信息技術發展有何啟示?

拓扑材料的发现为未来信息技术的发展带来了许多新的启示,有望突破传统器件的瓶颈,推动信息技术向低功耗、高速度、高集成度方向发展。以下列举一些重要的启示: 1. 低功耗电子器件: 拓扑绝缘体表面态的无耗散传输特性为实现低功耗电子器件提供了可能。利用拓扑绝缘体材料可以构建新型的低功耗晶体管、逻辑电路等,从而降低电子设备的能耗。 2. 高速信息存储: 磁性斯格明子具有拓扑保护性、纳米尺度和低电流驱动等特性,是构建未来高密度、高速、低功耗信息存储器件的理想材料。 3. 量子计算: 拓扑材料为实现拓扑量子计算提供了新的平台。例如,马约拉纳费米子被认为是拓扑材料中的一种特殊激发,其具有非阿贝尔统计性质,可以用来构建拓扑量子比特,实现容错性更高的量子计算。 4. 新型自旋电子器件: 拓扑材料中的非平庸拓扑性质和自旋-轨道耦合效应为开发新型自旋电子器件提供了新的思路。例如,利用拓扑材料可以构建自旋过滤器、自旋场效应晶体管等,实现对电子自旋的有效操控。 5. 能量转换: 拓扑材料中的反常输运现象,例如反常霍尔效应和反常能斯特效应,为开发新型能量转换器件提供了新的可能性。 总而言之,拓扑材料的发现为未来信息技术的发展带来了前所未有的机遇,有望引发信息技术的革命性变革。
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