压向拓扑好磁序

作者：Ising

 

拓扑绝缘体 (topological insulator, TI)，是当前拓扑量子物态的无尚招牌。其中物理，不但相对容易理解和表达，也是拓扑物理人高楼平地起的起点。然后，同道中人就开始不断地憋大招、开始折腾。有了二维 TI，要找三维 TI。有了拓扑保护的表面态，就想着要找拓扑保护的体态。有了 Weyl 半金属和表面处费米弧，就开始折腾轴子拓扑、任意子、手性和磁单极子，等等。有了节点半金属，要找节线半金属，要追求量子关联和平带。有了无损耗量子霍尔效应，就要找拓扑超导。如此这般，永不言弃。这样的进程，在过去这些年毫不稀奇、络绎不绝，倒也是给物理人挥斥方遒的平台，虽然这“方遒”是与物斗而已^_^。

 

又过了一段时间，就有几个课题组，包括万贤纲老师这样的，将材料数据库中那些非磁性无机化合物都搜索一遍，如摧枯拉朽一般，梳理出成千上万的拓扑新材料。这种搜索的后果之一，是改变了我们以为“拓扑是个稀奇事”的观念，也终于断了、或者至少淡薄了物理人成年累月开采拓扑原材料的烟火。还好，物理研究的特点是，随着进程深入、拓展，发现的问题总是比解决的多。因此，只要稍微调整一下方向，总有新的事情可做。

 

 

磁性拓扑绝缘体的电子结构与输运。

Y. Tokura et al, Magnetic topological insulators, Nat. Rev. Phy. 1, 126 (2019). https://www.nature.com/articles/s42254-018-0011-5

  

事实上，从 TI 大规模研究一开始，就有了另外一条战线，即如何让 TI 介入到磁性体系中。上文提及的数据库，都是针对非磁性无机化合物展开的。最近，终于也有了囊括磁性化合物的拓扑数据库。它们乃千言万语，动不动就占据几万页篇幅，俨然是一座数据图书馆，令人咂舌。其中一个亚类，就是磁性 TI，即既有拓扑非平庸的体能带、又有磁性或长程磁有序。

 

磁性 TI 的重要性也许有很多方面，大概率还有不少未被认识到。作者 学到的大概包括：(1) 磁性破坏了时间反演对称，原来 TI 的无能隙表面态就可能被打开一个能隙，成为磁性半导体。(2) 体态和表面态之外，还可能存在自旋手性的边缘态 (chiral edge mode)，出现量子反常霍尔效应 (QAHE)。(3) 体态和表面态都存在能隙，并与磁性密切相关。如此这般，就给了自旋电子学 / 磁性半导体登台的机会，磁性 TI 的应用前景似乎一下子宽阔起来，此为科学要“顶天立地”之立地。

 

除此之外，磁性与拓扑的共存及耦合，一定还可以诞生一些小编已然不懂的新物理来，如轴子电动力学、马约费米子等。这些似乎更催生了量子材料人对磁性 TI 的追求：这可不仅仅是应用驱动，还有新的物态和物理出来，此为科学之顶天。

 

这种追求，从对非磁性拓扑绝缘体进行掺杂开始。随后是追逐本征磁性 TI，诞生了首个化合物 MnBi2Te4 (MBT)。无论是冲着这结构还是磁有序本身去欣赏，MBT 都是佼佼者。它实际上就是非磁性 TI 体系 Bi2Te3 和铁磁化合物 MnTe 之间的交替堆叠复合，因此它兼具非平庸拓扑体态和长程磁有序。这样绝妙的磁性 TI 竟然存在，并正在成为金牌体系被广泛关注，自然就触动物理人去寻找更多磁性 TI 化合物的努力，并探索其中的新物理。其中，比较成功的另一个化合物家族就是 Eu 基化合物了。最近的理论和实验研究，少有地、一致认定这个小家族的能带结构呈现内禀拓扑半金属。再加上 Eu 的 4f 磁性，这个家族成为新的关注点也算合情合理。4f 磁性的引入，意味着磁性之外的强局域磁矩、电荷转移、超导、重费米子和近藤物理都可能介入进来，为新物理的涌现 (emergent) 做好了“物质”准备。

 

 

高压下的输运表征。

取自齐彦鹏老师的高压表征工作 (C. Pei et al, CPL 37, 066401 (2020), http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/37/6/066401

  

果不其然，《npj QM》最近刊发了关于这一家族的一个典型化合物、EuSn2P2 的实验工作。来自美国 University of Alabama at Birmingham 的 Yogesh K. Vohra 教授课题组，联合 Rutgers University、阿贡国家实验室、芝加哥大学等几个先进光源基地和 University of Hawaii at Manoa 等多家合作团队，采用传统的高压研究方法，追求对新物态和磁性的探索。

 

令人吃惊的是，他们聚集了包括同步辐射高分辨 X 射线衍射、151Eu 同步辐射穆斯堡尔谱、X 射线吸收谱、分子轨道计算和第一性原理计算在内的组合式表征技术，对高压下  EuSn2P2 单晶的晶体结构、磁性和 4f磁性离子 Eu 的价态，进行了全方位的表征和拟合。这种长枪短炮一起上、务求完备厘清物理图像的科研哲学，费时费力、成败难料，但这些学者有些义无反顾而匍匐前行。这种精神，也许值得我们老师学生借鉴学习。

 

果不其然，结果还是比较令人诧异的：

 

(1) 压力被预期会压制磁性、利于超导和半金属态出现。但在这里，压力使得 EuSn2P2  的磁有序温度升高了四倍，从 30 K 升高到 130 K。这一反常，被归于高压下 Eu – Sn  键合增强，从而促进 RKKY 作用的增强。

 

(2) 晶体结构在高压下失稳，被非晶相替代，使得 Eu 离子价态进入中间的分数价态。这一事实，同样利于磁性的提升。

 

(3) 坐实了 4f 电子 RKKY、晶格失稳和无序化、价电子转移和拓扑结构畸变的新效应在高压下的 EuSn2P2 中春光乍泄。

 

 

 

这样的探索，揭示出压力使得磁性 TI 的有序化温度显著提高，对我们提升 TI 磁性的努力有借鉴作用。高压实验，相对于化学掺杂实验和类别比对实验，要干净和纯粹一些。因此，这一高压实验结果，对后来者寻求磁性 TI 新体系和性能改进，会有所裨益。这，大概是此论文的意义一二。

 

雷打不动的结尾：小编是外行，如若理解错了，敬请谅解。各位有兴趣，还是请前往御览原文。原文链接信息如下：

 

Drastic enhancement of magnetic critical temperature and amorphization in topological magnet EuSn2P2 under pressure

 

Wenli Bi, Trenton Culverhouse, Zachary Nix, Weiwei Xie, Hung-Ju Tien, Tay-Rong Chang, Utpal Dutta, Jiyong Zhao, Barbara Lavina, Esen E. Alp, Dongzhou Zhang, Jingui Xu, Yuming Xiao & Yogesh K. Vohra

 

npj Quantum Materials volume 7, Article number: 43 (2022)

https://www.nature.com/articles/s41535-022-00451-9