DOI: https://doi.org/10.1007/s11433-026-2957-5
تاريخ النشر: 2026-04-28
المؤلف: Jianhua Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد الطوبولوجية والظواهر
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الخصائص الطوبولوجية لمادة CrSb، وهي مادة تثير الاهتمام في دراسة الألترمغناطيسية، من خلال مجموعة من تجارب النقل الكهربائي وحسابات المبادئ الأولى. تكشف النتائج أن CrSb تظهر مقاومة مغناطيسية لا تشبع حتى 35 تسلا، تتميز باعتماد قانون القوة مع أس 1.48، مما يشير إلى آلية نقل شحنات معقدة. بالإضافة إلى ذلك، تحدد الدراسة مقاومة هول غير الخطية وتذبذبات كوانتية شوبنيكوف-دي هاس (SdH) كبيرة، إلى جانب انقسام النطاق الناتج عن تأثير زيمان عند درجات حرارة منخفضة (1.6 كلفن).
تشير التحليلات النظرية، بما في ذلك حسابات سطح فيرمي وبنية النطاق جنبًا إلى جنب مع تقييمات مرحلة بيري، إلى وجود طابع طوبولوجي غير تافه لـ CrSb، مع اقتراب مرحلة بيري من π. توفر هذه النتائج رؤى تجريبية أساسية حول البنية الإلكترونية لـ CrSb وتضع إطارًا أساسيًا لاستكشاف حالات كوانتية طوبولوجية إضافية في المواد الألترمغناطيسية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الفئة الناشئة من المواد المغناطيسية المعروفة باسم الألترمغناطيس، والتي تتميز بهياكلها الإلكترونية الفريدة وخصائصها الطوبولوجية المحتملة. على عكس المغناطيسات الحديدية التقليدية والمغناطيسات المضادة، تظهر الألترمغناطيسات عدم وجود مغنطة صافية بينما تحافظ على نطاقات مقسمة حسب الزخم بسبب التفاعلات التبادلية، مما يسمح بانقسام كبير للنطاقات دون الحاجة إلى اقتران دوران-مدار (SOC). تشير التنبؤات النظرية إلى أن كسر هذه التناظر قد يؤدي إلى حالات إلكترونية طوبولوجية غير تافهة، مثل مراحل شبه المعادن وييل أو ديراك، حيث تعتبر شبه المعادن وييل بارزة بشكل خاص بسبب حالات السطح المحمية طوبولوجيًا وخصائص النقل الغريبة. تقدم الألترمغناطيسات، مع تناظرها المغناطيسي المميز، طريقًا واعدًا لاستكشاف مراحل كوانتية طوبولوجية جديدة وتطبيقات سبينترونيك.
التركيز المحدد للدراسة هو على المركب CrSb، الذي يتبلور في هيكل سداسي من نوع NiAs ويتميز بدرجة حرارة نيل عالية تبلغ 712 كلفن. اقترحت دراسات سابقة باستخدام مطياف الانبعاث الضوئي المحلّل بزاوية (ARPES) أن CrSb قد يظهر حالة شبه معدن وييل، ومع ذلك كانت الأدلة التجريبية المباشرة لخصائصه الطوبولوجية في نقل الشحنات محدودة. تهدف هذه الدراسة إلى توضيح كيف يؤثر النظام الألترمغناطيسي على البنية الإلكترونية لـ CrSb وسلوك النقل الطوبولوجي. من خلال نمو بلورات مفردة عالية الجودة من CrSb وقياسات نقل مغناطيسي واسعة النطاق عند درجات حرارة منخفضة وحقول عالية، يلاحظ المؤلفون تذبذبات بارزة لشوبنيكوف-دي هاس (SdH)، مما يوفر دليلًا مباشرًا على النقل الطوبولوجي. تؤكد النتائج وجود حالة شبه معدن طوبولوجية قوية في CrSb وتبرز إمكانيته كمنصة مادية لأجهزة سبينتوبترونيك من الجيل التالي.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق التجريبية المستخدمة لنمو بلورات مفردة من كبريتيد الكروم (CrSb) عالية الجودة عبر طريقة نقل البخار الكيميائي. تم دمج نسبة مولارية 1:1 من مسحوق الكروم عالي النقاء ومادة الأنتيمون، بإجمالي 1 جرام، مع اليود كعامل نقل في أنبوب زجاجي. تم تعريض الأنبوب لتدرج حراري من منطقتين، مع منطقة المصدر عند 950 درجة مئوية ومنطقة النمو عند 850 درجة مئوية لمدة أسبوعين، مما أسفر عن بلورات مفردة لامعة سوداء بحجم يقارب 2 × 2 × 0.05 مم³. تم التحقق من التركيب الستيوكيومتري للبلورات من خلال مطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، وتم تأكيد التوصيف الهيكلي باستخدام حيود الأشعة السينية للبلورات المفردة (XRD) والبلورات المسحوقة.
لقياسات النقل، استخدم المؤلفون طريقة قياسية بأربعة مجسات ضمن نظام قياس الخصائص الفيزيائية من كوانتم ديزاين (PPMS-7T)، باستخدام مغناطيس مبرد بالماء قادر على توليد مجالات مغناطيسية تصل إلى 35 تسلا. لتقليل الأخطاء المحتملة في محاذاة الجهد، تم عكس قطبية المجال المغناطيسي أثناء القياسات. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء حسابات نظرية دالة الكثافة من المبادئ الأولى (DFT) باستخدام حزمة المحاكاة فيينا (VASP)، مع تطبيق تقريب التدرج العام لبيرديو-بورك-إرنزرهوف (PBE). تم استخدام قطع طاقة حركية قدرها 400 إلكترون فولت وشبكة نقاط كيو 11 × 11 × 9 للحسابات الكتلية. كما قام المؤلفون ببناء نموذج ربط ضيق لـ Wannier (WTBM) باستخدام WANNIER90 وحللوا سطح فيرمي باستخدام WANNIERTOOLS، محددين المناطق المقطعية القصوى المسؤولة عن تذبذبات شوبنيكوف-دي هاس (SdH) باستخدام حزمة SKEAF.
نتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة حول بلورات CrSb المفردة عن رؤى مهمة حول جودتها البلورية وخصائصها الإلكترونية. تؤكد أنماط حيود الأشعة السينية للبلورات المفردة (XRD) جودة بلورية عالية مع ملاحظة قمم (00l) فقط، مما يشير إلى هيكل سداسي من نوع NiAs. تتماشى العزوم المغناطيسية بشكل مغناطيسي ضمن مستوى ab ومضادة للمغناطيسية على طول المحور c، مما يتماشى مع ترتيب مضاد مغناطيسي من النوع A. تظهر قياسات المقاومة المغناطيسية (MR) سلوكًا غير مشبع حتى 35 تسلا، حيث تصل MR إلى 2000% عند 1.6 كلفن، مما يشير إلى تذبذبات كوانتية قوية تتميز بشبه المعادن غير التافهة.
تظهر تحليلات إضافية باستخدام صيغة ليفشيتز-كوسيفيتش (LK) وتحويل فورييه السريع المعتمد على درجة الحرارة (FFT) كتل فعالة لحاملات الشحنة المرتبطة بثلاث ترددات رئيسية، مع قيم $m^*_1 = 0.867 m_0$، $m^*_2 = 1.5 m_0$، و $m^*_3 = 0.945 m_0$. كما تم حساب سرعات فيرمي والطاقة المقابلة، مما يشير إلى هيكل سطح فيرمي معقد. من الجدير بالذكر أن الدراسة تحدد انقسام زيمان في تذبذبات شوبنيكوف-دي هاس (SdH)، مع تحديد عوامل g الفعالة للياند لكل مكون ترددي. تشير هذه النتائج، جنبًا إلى جنب مع حسابات المبادئ الأولى، إلى وجود حالات إلكترونية محمية طوبولوجيًا في CrSb، مما يثبت أنه مرشح واعد لاستكشاف الظواهر الطوبولوجية في الألترمغناطيسات.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11433-026-2957-5
Publication Date: 2026-04-28
Author(s): Jianhua Du et al.
Primary Topic: Topological Materials and Phenomena
Overview
This research investigates the topological properties of CrSb, a material of interest in the study of altermagnetism, through a combination of electrical transport experiments and first-principles calculations. The findings reveal that CrSb exhibits a magnetoresistance that does not saturate up to 35 T, characterized by a power-law dependence with an exponent of 1.48, suggesting a complex charge transport mechanism. Additionally, the study identifies nonlinear Hall resistivity and significant Shubnikov-de Haas (SdH) quantum oscillations, alongside Zeeman-effect-induced band splitting at low temperatures (1.6 K).
Theoretical analyses, including Fermi surface and band structure calculations along with Berry phase evaluations, indicate a nontrivial topological character for CrSb, with a Berry phase approaching π. These results provide essential experimental insights into the electronic structure of CrSb and lay a foundational framework for further exploration of topological quantum states in altermagnetic materials.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the emerging class of magnetic materials known as altermagnets, which are characterized by their unique electronic structures and potential topological properties. Unlike traditional ferromagnets and antiferromagnets, altermagnets exhibit zero net magnetization while maintaining momentum-dependent spin-split bands due to exchange interactions, allowing for significant band splitting without the need for spin-orbit coupling (SOC). Theoretical predictions indicate that this symmetry breaking could lead to nontrivial topological electronic states, such as Weyl or Dirac semimetal phases, with Weyl semimetals being particularly notable for their topologically protected surface states and exotic transport properties. Altermagnets, with their distinctive magnetic symmetries, present a promising avenue for exploring novel topological quantum phases and spintronic applications.
The specific focus of the study is on the compound CrSb, which crystallizes in a hexagonal NiAs-type structure and has a high Néel temperature of 712 K. Previous angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) studies have suggested that CrSb may exhibit a Weyl semimetal state, yet direct experimental evidence for its topological properties in charge transport has been limited. This research aims to elucidate how altermagnetic order affects CrSb’s electronic structure and topological transport behavior. Through the growth of high-quality CrSb single crystals and extensive low-temperature, high-field magneto-transport measurements, the authors observe pronounced Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations, providing direct evidence of topological transport. The findings confirm the existence of a robust topological semimetal state in CrSb and highlight its potential as a material platform for next-generation spin-topotronic devices.
Methods
In this section, the authors detail the experimental methods used to grow high-quality bulk single crystals of chromium antimonide (CrSb) via the chemical vapor transport method. A 1:1 molar ratio of high-purity chromium and antimony powders, totaling 1 g, was combined with iodine as a transport agent in a quartz tube. The tube was subjected to a two-zone temperature gradient, with the source zone at 950 °C and the growth zone at 850 °C for two weeks, yielding shiny black single crystals measuring approximately 2 × 2 × 0.05 mm³. The stoichiometric composition of the crystals was verified through energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and structural characterization was confirmed using powder and single-crystal X-ray diffraction (XRD).
For transport measurements, the authors employed a standard four-probe method within a Quantum Design physical property measurement system (PPMS-7T), utilizing a water-cooled magnet capable of generating magnetic fields up to 35 T. To mitigate potential voltage misalignment artifacts, the polarity of the magnetic field was reversed during measurements. Additionally, first-principles density-functional theory (DFT) calculations were performed using the Vienna ab initio Simulation Package (VASP), applying the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) generalized-gradient approximation. A kinetic-energy cutoff of 400 eV and an 11 × 11 × 9 k-point mesh were utilized for bulk calculations. The authors also constructed a Wannier tight-binding model (WTBM) using WANNIER90 and analyzed the Fermi surface with WANNIERTOOLS, determining the extremal cross-sectional areas responsible for Shubnikov-de Haas (SdH) quantum oscillations using the SKEAF package.
Results
The results of this study on CrSb single crystals reveal significant insights into their crystalline quality and electronic properties. Single-crystal X-ray diffraction (XRD) patterns confirm a high crystalline quality with only (00l) peaks observed, indicating a hexagonal NiAs-type structure. The magnetic moments align ferromagnetically within the ab plane and antiferromagnetically along the c-axis, consistent with A-type antiferromagnetic ordering. Magnetoresistance (MR) measurements show non-saturating behavior up to 35 T, with MR reaching 2000% at 1.6 K, suggesting strong quantum oscillations characteristic of nontrivial semimetals.
Further analysis using the Lifshitz-Kosevich (LK) formula and temperature-dependent fast Fourier transform (FFT) reveals effective masses of charge carriers associated with three main frequencies, with values of $m^*_1 = 0.867 m_0$, $m^*_2 = 1.5 m_0$, and $m^*_3 = 0.945 m_0$. The corresponding Fermi velocities and energies are also calculated, indicating a complex Fermi surface structure. Notably, the study identifies Zeeman splitting in the Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations, with effective Landé g factors determined for each frequency component. These findings, combined with first-principles calculations, suggest the presence of topologically protected electronic states in CrSb, establishing it as a promising candidate for exploring topological phenomena in altermagnets.