研究人员在kagome层状材料中发现意想不到的激发

美国能源部艾姆斯国家实验室的研究人员在kagome层状拓扑磁体TbMn6Sn6中发现了一种意想不到的手性激发。这种手性激发可以看作是局部磁涡旋或涡旋。该团队还证实了局部平带磁振子的存在，这是一种与受挫的kagome晶格几何相关的新型激发。

过去几年，由RobMcQueeney领导的Ames实验室科学家团队一直在研究TbMn6Sn6，以进一步了解这种材料、其特性以及它在不同温度和磁场下的表现。据McQueeney介绍，这种材料早已为人所知，但大约五年前才重新引起研究人员的关注。“这种材料一直是有趣现象的金矿，”McQueeney说。

在对这种材料进行的研究过程中，该团队已经绘制出了它在低能下的磁激发图，并研究了这些激发如何通过温度相关的磁自旋重新定向转变而演变。他们的最新发现来自于对这种材料的高能激发的研究。

该项研究的题目为《铁磁和金属kagome层中的手性和平带磁性准粒子》，发表在《自然通讯》杂志上。

McQueeney解释说，基于理论模型，他们预计会发现由于Kagome晶格的特殊几何形状而产生的局部平带磁振子。磁振子是控制材料磁化的准粒子或基本激发。

“平带激发是局部的，因此磁激发不会像波一样传播，它只是局限在一个六边形上。晶格中另一个六边形中的激发不会与另一个六边形对话，它们只是停留在那里并在这些六边形中波动，”McQueeney说。“在kagome层中，这些平带由晶格几何形状保证。”

除了观察这些局部的平带磁振子之外，研究小组还惊讶地发现了一种不同类型的局部激发。

“我们看到了另一种不应该出现的激发，”麦奎尼说。“当我们观察动量分布时，它具有所谓的手性激发的特征。手性意味着它具有手性，因此有左手和右手版本的激发。我们发现它也局限于六边形，就像平带一样。”

他进一步解释说，TbMn6Sn6具有铁磁kagome层，但手性激发表明，与之竞争的手性反铁磁不稳定性就在附近。材料的磁性状态决定了其功能特性。例如，铁磁体强烈吸引其他磁性材料，而反铁磁体在材料外部没有磁场(因此它们不吸引其他磁体)。

在这种材料中，铁磁状态比团队发现的手性反铁磁性更稳定。然而，McQueeney表示，由于手性激发存在，或许调整材料的化学组成可以稳定手性序。

“人们一直在寻找手性基态，”麦奎尼说，“我们之所以在这里使用准粒子的概念，是因为它是一种传输能量或信息的方式，就像电子是一种准粒子，我们可以将它从A点发送到B点，携带一些信息。”

“手性准粒子还具有其他属性。例如，它具有手性，因此你可以考虑新颖的方法，比如将信息从A点传输到B点，这不涉及移动电荷，而是移动一些手性信号。”

发现这种新的手性激发对麦奎尼来说尤其令人兴奋，“你不会想到它会存在，”他说。“我们仍然不明白它为什么会存在。事实上，我们正在进行其他实验，在其他材料中寻找它。”