Nat。Mater。NdAlSi中Weyl调制的螺旋形磁性

　　第一作者：Jonathan Gaudet
　　通讯作者：Jonathan Gaudet
　　通讯单位：约翰霍普金斯大学
　　外尔半金属中的新兴相对论准粒子是奇异电子特性的来源，如表面费米弧、反常霍尔效应和负磁阻，所有这些都在实际材料中观察到。虽然这些现象突出了外尔费米子对电子传输特性的影响，但人们对它们可能支持的集体现象知之甚少。最近，美国约翰霍普金斯大学Jonathan Gaudet等人在国际知名期刊＂Nat. Mater.＂发表题为＂Weyl-mediated helical magnetism in NdAlSi＂的研究论文。在这里，他们报告了一种Weyl半金属，NdAlSi，它提供了一个例子。利用中子衍射，他们在NdAlSi中发现了一个长波长的螺旋磁序，其周期性与两个拓扑学上非三态的费米袋之间的嵌套矢量有关，他们利用密度泛函理论和量子振荡测量来描述其特征。他们进一步表明，自旋结构的手性横向分量是由与Weyl交换过程相关的、以键为导向的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用促进的。他们的工作提供了一个韦尔费米子驱动集体磁性的罕见例子。
　　图1：a,b, 空间群为I41md的非中心对称NdAlSi的结构（S.G.109；a）及其相关的第一布里渊区在b中显示。有两个简单的镜像平面，mx和my，以及两个滑行镜像，mxy和mxy 。这些在b中显示为浅红色和绿色的平面，Z-Γ-X路径位于绿色的mxy镜面中，Γ-S-N-S′-Z-Γ路径位于红色的mx镜面中。c，在100K下收集的单晶核中子衍射数据的细化，其中Fobs和Fcalc分别为观察到的和计算出的结构因子。斜率为1的黑线显示为可视化。误差条在方法中讨论。d，NdAlSi的磁热容量（主面板）和磁熵（Smag）的温度依赖性（插入面板），通过减去非磁性LaAlSi的热容量从净热容量中分离出来。红线代表了对NdAlSi中Nd3+离子的基态自旋-轨道流形的能量方案的估计。
　　图2：a，沿c轴施加的场的反感度（χc）的温度依赖性，以及它与面内感度（χa）的比率。b，NdAlSi的a-b面纵向电阻率与温度的关系。插图是低温下电阻率数据的放大图。c,d, 分别是有序矩和相关波矢的温度相关性。对于c和d，蓝色的数据点是在Q = (2/3 + δ, 2/3 + δ, 0)不相称的磁布拉格峰处获得的，并被选择代表(2/3 + δ, 2/3 + δ, 0)的有序参数，而红色的数据点来自Q = (1 + 3δ, 1 + 3δ, 2)并被选择代表(3δ, 3δ, 0) 的有序参数，其中δ是以相对晶格单位(r。l.u.）。) 方法中讨论了c和d的误差条。
　　图3：a，在Q=（1，0，1）（主）和Q=（0，0，4）（右插图）的摇动扫描，其磁强度与左插图所示的调频自旋结构一致。b，在T=1.6K时Q=（23，23，l）和（13，13，l）布拉格峰的Q^ c^依赖性，其已被归一化为（23，23，0）布拉格峰并乘以其形式系数f（Q）的比率。计算出的三种不同自旋极化的磁布拉格散射强度的Q^ c^依赖性被绘制出来，显示出AFM kcom=(23,23,0)分量是沿c^极化的，而kcom=(13,13,0)分量是沿c^ k极化。c，NdAlSi自旋结构的三维表示，它是通过添加a的插图中的结构得到的。f,g, c轴磁化（Mc0）的场依赖性以及在T = 1.6 K的AFM kcom分量（Mc(2/3,2/3,0)）显示在f中，而电阻率显示在g中的不同温度。f中的箭头表示从AFM的u-d-d到FM的u-u-u阶段的过渡。误差条代表 1个标准差。
　　图4：a，在过渡温度Tinc(H=0)上下记录的量子振荡，由水平虚线分隔，在元磁过渡场Hc上下记录的量子振荡，由斜线虚线分隔。b-d，AFM（23,23,0）相、FM相和PM相的快速傅里叶变换（FFT）频谱分别显示在b、c和d中。e，磁不相通性qδ（图2）的温度演变，以及不同阶段的量子振荡频率kα和kβ。请注意，SdH频率显示为k=Aext---- /π，其中Aext是推断的极值轨道的面积。
　　图5：a, 能带结构；b,c, 分别是沿a*的顶视图和侧视图的Weyl结点。六种类型的Weyl节点被标记为W1, W2, W′2, W3, W′3和W″3。红色和蓝色的Weyl点具有相反的手性。d,e, 分别是费米面的俯视图和侧视图，费米能量设置为与文中所述的量子振荡频率一致。红色（蓝色）表面代表价（导）带。d和e中的虚线圆圈表示以量子振荡为特征的Σ、β和γ费米袋（图4）。
　　图6：a, 黑点代表连接NdAlSi的两个费米袋的最小（qmin）和最大（qmax）动量矢量，它们位于第一布里渊区的（hh0）或Γ-X方向。绿色区域包含了所有可能的嵌套矢量与EF-EDFTF，其中EDFTF是电荷中和水平。红线表示中子衍射在NdAlSi中检测到的(23+δ,23+δ,0)磁波矢量，蓝线是我们的量子振荡分析得到的EF-EDFTF值。b，EF-EDFTF=33meV的FM NdAlSi的费米面，箭头表示用于a中分析的qmin和qmax。
　　原文链接：
　　https://www.nature.com/articles/s41563-021-01062-8
　　论文主要通讯作者主页：
　　https://iqm.jhu.edu/people/postdoctoral-fellows/