科學島團隊與安徽大學合作在磁性拓撲材料EuMnSb2單晶物性研究中取得新進展

近日，中國科學院合肥物質(zhì)院強磁場中心韓玉巖副研究員與安徽大學合作，依托穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置（SHMFF）的多功能物性測試系統(tǒng)，在EuMnSb2單晶的物性研究方面取得了新進展。這一成果已于2024年04月11日在國際著名學術出版社Elsevier發(fā)行的期刊Journal of Alloys and Compounds在線發(fā)表。

隨著科技不斷發(fā)展，磁性拓撲材料因其獨特的物理特性在磁開關、磁存儲器等器件中展現(xiàn)出巨大的應用潛力，合成新型磁性拓撲材料并研究其物理特性尤為重要。研究團隊聚焦于三元錳酸鹽（AMnPn2，A = Ca, Sr, Ba, Eu Yb, Pn = Sb, Bi）這一材料體系，特別是其中的EuMnSb2單晶。這一材料體系中的Sb(或Bi)原子含有準二維狄拉克費米子，而磁性原子的磁矩取向可以通過溫度和磁場進行調(diào)控，從而改變材料的能帶結(jié)構(gòu)。這使三元錳酸鹽可以作為研究磁性與拓撲相關性的理想材料。

研究團隊使用Sn作為助熔劑制備了EuMnSb2單晶，并系統(tǒng)性地研究了該材料的磁性、磁電阻、比熱等物性。研究發(fā)現(xiàn)，該單晶具有半導體特性，并且在特定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個磁性轉(zhuǎn)變，分別對應“順磁-反鐵磁”轉(zhuǎn)變及Eu磁矩的再取向。此外，施加磁場能夠抑制上述轉(zhuǎn)變。

在電輸運測量中，研究團隊觀察到溫度與磁場能夠調(diào)變該材料的電阻特征。特別是在強磁場下，該材料表現(xiàn)出了各向異性磁電阻及巨大的負磁阻，這為其在電子器件中的應用提供了潛在的可能性。

基于這些實驗結(jié)果，研究團隊繪制了該材料的電子相圖，將材料的物性劃分為反鐵磁半導體、順磁半導體和順磁金屬，這些屬性表明該單晶的磁序與能帶結(jié)構(gòu)以及物性之間存在關聯(lián)性。溫度及磁場調(diào)變了磁矩的取向，改變了該EuMnSb2單晶的磁熵及能帶結(jié)構(gòu)，從而引起了磁性、比熱及電輸運等物性的變化。

上述研究結(jié)果不僅能夠深化人們對磁性拓撲材料中磁矩與物性之間關系的理解，也為新型磁性拓撲材料及電子器件的研發(fā)提供了實驗基礎。

圖1. 根據(jù)EuMnSb2單晶的磁化率，比熱以及電阻率的測量結(jié)果繪制出的電子相圖