近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心陸輕鈾課題組聯(lián)合安徽大學(xué)的科研人員，利用穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置超靈敏磁力顯微鏡測量系統(tǒng)，結(jié)合電子順磁共振譜學(xué)和微磁學(xué)模擬，實現(xiàn)對籠目晶格中本征磁結(jié)構(gòu)的觀測。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Science上。

材料宏觀性質(zhì)主要由其內(nèi)部電子決定，而電子的性質(zhì)與晶格密不可分。籠目晶格能帶結(jié)構(gòu)天然具有狄拉克點、平帶和范霍夫奇點，激發(fā)了拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)及非常規(guī)超導(dǎo)等豐富的物理現(xiàn)象和內(nèi)涵。這些奇異性質(zhì)均與籠目晶格和電子序的相互作用相關(guān)。

在超導(dǎo)領(lǐng)域中，籠目超導(dǎo)體中競爭電子序的研究有望揭示高溫超導(dǎo)機制。這是超導(dǎo)領(lǐng)域核心問題之一。同時，反鐵磁籠目晶格是量子自旋液體的重要候選材料，為量子計算和量子信息科學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了新的可能性。雖然關(guān)于籠目晶格與電荷序的耦合已有較多研究，但其自旋序受晶格調(diào)控下的本征圖案仍未被揭示。

近期，陸輕鈾課題組通過超靈敏磁力顯微鏡測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對籠目材料中本征磁結(jié)構(gòu)的直接觀測。該研究在二元籠目Fe₃Sn₂單晶中發(fā)現(xiàn)受晶格調(diào)制的新型磁陣列結(jié)構(gòu)。受晶格六重對稱性和單軸磁各向異性的競爭影響，該材料磁重復(fù)單元呈現(xiàn)出獨特的破缺六邊形結(jié)構(gòu)。結(jié)合霍爾輸運的測量結(jié)果，研究證實了該材料中拓?fù)淦迫钡淖孕龢?gòu)型。

進(jìn)一步，變溫實驗揭示Fe₃Sn₂單晶中溫度驅(qū)動的磁重構(gòu)行為。研究發(fā)現(xiàn)，這一過程是二級相變或弱一級相變，而非此前認(rèn)為的一級相變。這糾正了先前的誤解，確定了該材料在低溫下的磁基態(tài)為面內(nèi)鐵磁態(tài)而非此前被報道的自旋玻璃態(tài)。基于此，該團隊繪制了Fe₃Sn₂單晶的全新磁相圖。

定量化的超靈敏磁力顯微鏡測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，即使在低溫條件下，Fe₃Sn₂單晶中依然存在顯著的面外磁分量。結(jié)合Kane-Mele模型分析，該團隊解釋了低溫下狄拉克能隙打開的原因，排除了此前關(guān)于低溫斯格明子存在的假設(shè)。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接

合肥研究院實現(xiàn)籠目晶格本征磁結(jié)構(gòu)的直接觀測