华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心
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朱增伟教授团队在磁场诱导磁性外尔半金属的Lifshitz相变研究上取得进展

发布日期:2023-01-13    作者:     来源:     点击:

(通讯员 吴蕾)1月10日,《npj量子材料》(npj Quantum Materials)在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心朱增伟教授团队题为《磁场诱导的磁性外尔半金属PrAlSi中的Lifshitz相变》(Field-induced Lifshitz transition in the magnetic Weyl semimetal candidate PrAlSi)的论文。中心博士生吴蕾为论文第一作者,朱增伟教授、罗永康教授和南方科技大学研究助理教授赵凌霄为论文通讯作者,中心徐刚教授、左华坤工程师和硕士生迟晟玮参与了相关工作。

Lifshitz相变是费米面在能带结构或费米能变化的驱动下发生的电子拓扑跃迁。由于这种转变并不一定需要同时的对称性破缺,并且它可以在温度接近零度时发生,也可以被除了温度以外的压力、应变、掺杂、磁场等参数调节,因此可以认为是拓扑量子相变。其中,由磁场驱动的Lifshitz相变的例子比较少见,主要是由于实验用的磁场能量尺度(1-10meV)远小于大多数金属的特征能量尺度(~102-103meV)。此前,Lifshitz相变主要在重费米子材料中被发现,也正是由于重费米子材料中传导电子和局域的f电子之间的杂化作用,使得其具有很小的费米能进而容易被调节。

该研究中,朱增伟教授团队利用脉冲强磁场设施的输运实验平台,系统研究了新型磁性外尔半金属PrAlSi的磁阻行为。首先,他们对磁场下的Shubnikov-de Hass(SdH)振荡进行了分析(如图1),分别用不同的频率参数对振荡数据进行拟合,结果表明磁场小于14.5T时具有单一频率F1=43T,磁场大于14.5T时产生两个新频率F2=62T和F3=103T。此外,由霍尔数据进行双带拟合分析(如图2),得到的载流子浓度变化也验证了费米口袋的演化。故此,根据对输运测量的分析,在PrAlSi中观察到了Lifshitz相变,临界磁场为14.5T。

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         图1 不同频率参数L-K拟合结果                图2 双带拟合结果

 其次,综合第一性原理计算得到的费米面(如图3)和角度依赖的SdH振荡的分析可知,Lifshitz相变发生在布里渊区Γ-X方向且具有外尔特性的费米口袋上(如图4)。由于PrAlSi中Pr-4f电子能带远低于费米能级以及其低载流子浓度的特性,排除了塞曼项和近藤效应的作用。另外,Pr3+引起的晶体场效应也可能是该磁场诱导Lifshitz相变的原因,其物理机制需要更丰富的实验来验证。

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       图3 计算得到的费米面           图4 Lifshitz相变前后费米面的演化

 该项研究表明,在磁性外尔半金属PrAlSi中,随着相变的发生,一个空穴口袋演变为一个电子口袋和一个空穴口袋,说明了范霍夫奇点的存在。PrAlSi也成为了磁场诱导Lifshitz相变的特殊材料,丰富了磁场诱导Lifshitz相变的例子,也为进一步研究拓扑、磁性和电子相关性之间的相互作用提供了新的平台。

该工作得到了国家重点研究发展计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、松山湖材料实验室开放科研基金等项目支持。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41535-023-00537-y