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    物理所等在磁性外尔半金属中首次提出“自旋轨道极化子”概念

    发布日期:2020-11-15 00:39 物理论文

      作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。更多简介 +

      中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

      中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

      上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

      磁性量子材料的缺陷工程及其局域量子态自旋的调控,有望用于构筑未来实用化的自旋量子器件,是目前凝聚态物理研究的热点领域之一。近年来,基于过渡金属的笼目晶格(kagome lattice)化合物成为揭示和探索包括几何阻挫、关联效应和磁性以及量子电子态的拓扑行为等丰富物理学性质的新颖材料平台。在这些近层状堆叠的晶体材料中,过渡金属元素原子呈三角形和六边形在平面内交替排列,形成独特的拓扑结构,例如具有狄拉克锥的电子能带结构特征和强自旋轨道耦合的平带特征等。此外,这些材料还表现出铁磁、反铁磁以及顺磁等丰富磁性基态。研究该类材料磁性以及拓扑特性的一个有效方案是在原子尺度探究其空间局域激发态,但至今未见报道。

      Co3Sn2S2作为首个理论预言与实验证实的具有内禀磁性的外尔费米子拓扑体系,展现出系列独特拓扑物性。表面依赖的拓扑费米弧和局域无序诱导的内禀反常霍尔电导率升高,使其成为研究缺陷激发及其拓扑特性相关性的理想平台。扫描隧道显微镜/谱与自旋极化针尖结合对于探索原子空位和原子上的缺陷激发来说是非常有力的工具。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士研究组在这两个技术及其前沿基础研究方面具有长期而雄厚的积累,取得了一批具有国际顶尖水平的研究结果。

      近期,中国科学院院士、中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员高鸿钧课题组博士研究生邢宇庆、副研究员陈辉、副研究员黄立等与物理所研究员刘恩克指导的博士生申建雷、美国波士顿学院教授汪自强合作,通过极低温-强磁场-自旋极化扫描隧道显微镜/谱和低温-原子力显微镜,研究了磁性外尔费米子系统Co3Sn2S2中的单原子缺陷附近的激发态。该研究首先利用非接触的原子力显微镜图像及功函数测量,确定解理产生的两种表面中的S原子终止面。进一步的自旋极化实验发现,在非磁性的S表面上围绕单原子S空位周围会形成空间局域的磁性的极化子。这些极化子表现为具有三重旋转对称性空间分布的束缚态激发的形式。此外,在垂直样品表面方向施加高达±6 T的外部磁场的实验显示,无论磁场方向朝上还是朝下,局部磁极化子的结合能都随磁场强度的增加而线性增加,这表明轨道磁化作用对局域化磁矩(~1.35μB)具有主导作用。基于这一轨道磁矩的主导作用及在S空位明显的局域磁弹效应,该研究发现一种新的激发态,即局域化的自旋轨道极化子(Spin-orbital,SOP)。Co3Sn2S2显著的局域化轨道磁化与拓扑相关的贝利曲率和拓扑磁体磁电效应的循环电流有关。非磁性原子层上的SOP会对系统的局域磁性有显著的增强,同时也增强了时间反演对称性破缺导致的奇异拓扑物性。

      与稀磁半导体中的磁极化子类比,该“自旋轨道极化子”有望在非磁性关联拓扑材料中引入内禀磁矩,从而形成“稀磁拓扑半金属”这一新的物质形态。该研究也预示可在新型量子拓扑材料中实现“缺陷量子工程”,即通过改变材料制备参数与原子操纵技术等对缺陷结构的尺寸、浓度与空间排布等进行精准控制,形成缺陷有序阵列等原子级可控结构,实现磁性量子材料的磁性与拓扑性质的精确调控,最终在量子器件中实现功能量子拓扑态的原子级定向构建和有序编织。研究成果为磁性外尔体系中磁序与拓扑性质调控提供了新思路,有助于新一代复杂功能量子器件开发。

      相关成果以Localized spin-orbit polaron in magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2为题,发表在《自然-通讯》上。邢宇庆、申建雷、陈辉和黄立为论文的共同第一作者,刘恩克、汪自强与高鸿钧为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院等支持。

      磁性量子材料的缺陷工程及其局域量子态自旋的调控,有望用于构筑未来实用化的自旋量子器件,是目前凝聚态物理研究的热点领域之一。近年来,基于过渡金属的笼目晶格(kagome lattice)化合物成为揭示和探索包括几何阻挫、关联效应和磁性以及量子电子态的拓扑行为等丰富物理学性质的新颖材料平台。在这些近层状堆叠的晶体材料中,过渡金属元素原子呈三角形和六边形在平面内交替排列,形成独特的拓扑结构,例如具有狄拉克锥的电子能带结构特征和强自旋轨道耦合的平带特征等。此外,这些材料还表现出铁磁、反铁磁以及顺磁等丰富磁性基态。研究该类材料磁性以及拓扑特性的一个有效方案是在原子尺度探究其空间局域激发态,但至今未见报道。

      Co3Sn2S2作为首个理论预言与实验证实的具有内禀磁性的外尔费米子拓扑体系,展现出系列独特拓扑物性。表面依赖的拓扑费米弧和局域无序诱导的内禀反常霍尔电导率升高,使其成为研究缺陷激发及其拓扑特性相关性的理想平台。扫描隧道显微镜/谱与自旋极化针尖结合对于探索原子空位和原子上的缺陷激发来说是非常有力的工具。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士研究组在这两个技术及其前沿基础研究方面具有长期而雄厚的积累,取得了一批具有国际顶尖水平的研究结果。

      近期,中国科学院院士、中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员高鸿钧课题组博士研究生邢宇庆、副研究员陈辉、副研究员黄立等与物理所研究员刘恩克指导的博士生申建雷、美国波士顿学院教授汪自强合作,通过极低温-强磁场-自旋极化扫描隧道显微镜/谱和低温-原子力显微镜,研究了磁性外尔费米子系统Co3Sn2S2中的单原子缺陷附近的激发态。该研究首先利用非接触的原子力显微镜图像及功函数测量,确定解理产生的两种表面中的S原子终止面。进一步的自旋极化实验发现,在非磁性的S表面上围绕单原子S空位周围会形成空间局域的磁性的极化子。这些极化子表现为具有三重旋转对称性空间分布的束缚态激发的形式。此外,在垂直样品表面方向施加高达±6 T的外部磁场的实验显示,无论磁场方向朝上还是朝下,局部磁极化子的结合能都随磁场强度的增加而线性增加,这表明轨道磁化作用对局域化磁矩(~1.35μB)具有主导作用。基于这一轨道磁矩的主导作用及在S空位明显的局域磁弹效应,该研究发现一种新的激发态,即局域化的自旋轨道极化子(Spin-orbital,SOP)。Co3Sn2S2显著的局域化轨道磁化与拓扑相关的贝利曲率和拓扑磁体磁电效应的循环电流有关。非磁性原子层上的SOP会对系统的局域磁性有显著的增强,同时也增强了时间反演对称性破缺导致的奇异拓扑物性。

      与稀磁半导体中的磁极化子类比,该“自旋轨道极化子”有望在非磁性关联拓扑材料中引入内禀磁矩,从而形成“稀磁拓扑半金属”这一新的物质形态。该研究也预示可在新型量子拓扑材料中实现“缺陷量子工程”,即通过改变材料制备参数与原子操纵技术等对缺陷结构的尺寸、浓度与空间排布等进行精准控制,形成缺陷有序阵列等原子级可控结构,实现磁性量子材料的磁性与拓扑性质的精确调控,最终在量子器件中实现功能量子拓扑态的原子级定向构建和有序编织。研究成果为磁性外尔体系中磁序与拓扑性质调控提供了新思路,有助于新一代复杂功能量子器件开发。

      相关成果以Localized spin-orbit polaron in magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2为题,发表在《自然-通讯》上。邢宇庆、申建雷、陈辉和黄立为论文的共同第一作者,刘恩克、汪自强与高鸿钧为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院等支持。


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