关于Kagome层状拓扑磁体中磁相互作用的惊人发现

艾姆斯国家实验室的团队对Kagome层状拓扑磁体TbMn6Sn6的磁性进行了深入研究。他们惊讶地发现，随着温度升高，TbMn6Sn6中的磁自旋重新取向是通过产生越来越多的磁各向同性离子而发生的。

艾姆斯实验室科学家兼项目负责人RobMcQueeney解释说，TbMn6Sn6材料中有两种不同的磁性离子：铽和锰。锰矩的方向控制着拓扑状态，“但铽矩决定了锰指向的方向，”他说。“这个想法是，你有这两种磁性物质，它们相互作用的组合控制了力矩的方向。”

在这种层状材料中，随着温度升高，会发生磁相变。在此相变期间，磁矩从垂直于戈薇层(或单轴)指向层内(或平面)。这种转变称为自旋重定向。

麦奎尼解释说，在戈薇金属中，自旋方向控制着拓扑或狄拉克电子的性质。狄拉克电子出现在磁带接触一点的地方。然而，磁序会在带接触的点处产生间隙。这种间隙稳定了拓扑陈绝缘体状态。“因此，只要改变力矩的方向，你就可以从狄拉克半金属变成陈绝缘体，”他说。

作为TbMn6Sn6研究的一部分，该团队在散裂中子源进行了非弹性中子散射实验，以了解材料中的磁相互作用如何驱动自旋重定向转变。麦昆尼表示，铽在低温下希望是单轴的，而锰是平面的，因此它们是不一致的。

麦昆尼表示，极低或极高温度下的行为符合预期。在低温下，铽是单轴的(电子轨道形状像椭球体)。在高温下，铽具有磁各向同性(具有球形轨道形状)，这使得平面锰能够确定整体力矩方向。

研究小组假设每个铽轨道都会逐渐从椭圆形变形为球形。相反，他们发现两种类型的铽都存在于中间温度下，但球形铽的数量随着温度的升高而增加。

“因此，我们所做的就是确定磁激发如何从单轴状态演化为简单的平面状态，作为温度的函数。长期以来关于它如何发生的假设是正确的，”麦昆尼说。

“但细微差别在于，你不能将每个铽都视为在某个时间尺度上完全相同。每个铽位点都可以以两种量子态存在，即单轴或各向同性，如果我观察一个位点，它要么处于一种状态，要么处于一种状态。“另一个在某个瞬间。它是单轴或各向同性的概率取决于温度。我们称之为轨道二元量子合金。”