スピン

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14525 (2022) この記事を引用

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カゴメメタルは、トポロジー、電子相関、磁気が交差する新しい現象を探索するための刺激的な遊び場です。 特に、FeSn ベースのカゴメ磁石のファミリーは、層状結晶構造の単純さと調整可能なトポロジカル電子バンド構造により多くの注目を集めました。 それらのバルク特性の理解は大きく進んでいますが、これらの系の多くでは表面の電子構造や磁気構造はまだ十分に調査されていません。 この研究では、典型的なカゴメ金属 FeSn に焦点を当てます。 スピン平均走査トンネル顕微鏡とスピン偏極走査トンネル顕微鏡を組み合わせて、FeSn 表面の層状反強磁性構造を初めて原子スケールで可視化しました。 強磁性体である類似材料 Fe3Sn2 の磁場調整可能な電子構造とは対照的に、FeSn の電子状態密度は外部磁場の印加に対して堅牢であることがわかりました。 興味深いことに、磁場の影響を受けない電子バンド構造にも関わらず、FeSn は磁場と強く結合する大きな実効モーメントを持つ特定の不純物に結びついた束縛状態を示します。 私たちの実験は、FeSn の理論モデリングに必要な微視的な洞察を提供し、トポロジカル磁石一般のスピン偏極測定の出発点として機能します。

角を共有する三角形の格子 (カゴメ格子) 上に配置された原子で構成される量子材料は、バンド トポロジーと電子相関の交差点における電子現象を探索するための多用途のプラットフォームです 1、2、3、4、5、6、7、8、 9. これらの系の背後にある最初の興奮は、スピン液体相の実現の可能性に由来しました1,10が、最近の実験により、スピン軌道結合、自明ではないベリー曲率の存在下でカゴメ格子上に出現する可能性のある他の一連の新しい電子相が明らかになりました。および/または磁気。 これらには、例えば、トポロジカルフラットバンド 11、12、チャーン磁石相 13、ワイル半金属相およびフェルミアーク 14、15、およびさまざまな密度波 16、17、18、19、20、21 が含まれます。

エキゾチックな電子現象の追求において、FexSny kagome 磁石のファミリーは特に興味深いものとなっています 22,23,24,25,26,27,28,29,30,31。 このファミリーの材料は、ブリルアン ゾーン境界のディラック コーンと分散のないフラット バンドからなる、カゴメ格子に関連する典型的な電子バンド構造によって特徴付けられます 24、25、27、28、30。 これらの系は、c 軸に沿って積み重ねられた Fe3Sn カゴメ層とハニカム Sn 層の異なる順序で構成される層状結晶構造を示します。 この積層順序は、バルク内の創発磁気秩序のタイプに直接影響します22、32、33。 たとえば、Fe3Sn-Fe3Sn-Sn 構成要素で構成される Fe3Sn2 は強磁性です 24,25,30,31。 一方、交互のFe3Sn層とSn層で構成されるFeSnは層状反強磁性体です。各層内のFeスピンは強磁性的に整列しますが、隣接する層間では反強磁性的に結合します34（図1a、h）。 バルク内の磁気構造はよく知られていますが、Fe ベースのカゴメ金属の表面における磁気秩序と外部摂動によるその調整性はまだ十分に研究されていません。 これを実験的に確立することは、いくつかの理由から不可欠です。 まず、表面で結晶の対称性が崩れているとすると、磁気構造はバルクの磁気構造とは異なる可能性があります。 実際、表面磁性とバルク磁性の間の二分法は、他の磁気トポロジー系でも起こると仮説が立てられています 35。 第二に、表面磁化は質量のないディラックフェルミオンから質量のあるディラックフェルミオンへの遷移を引き起こす可能性があり25、後者は原理的に自明ではないチャーン数を伴います。 したがって、これらの材料を完全に理解するには、表面の磁気特性を直接測定することが非常に望ましいです。 しかし、これまでのカゴメ磁石の多くでは、このような測定を達成するのが困難でした。 この研究では、スピン偏極走査トンネル顕微鏡と分光法を使用して、原型のカゴメ金属 FeSn の表面の層状反強磁性構造を視覚化します。