Dirac 半导体 CaMnBi$_2$ 中的磁性与珀尔斯畸变

形如 $A$Mn$X_2$（$A =$ 碱金属或二价稀土; $X =$ Bi, Sb）的 Dirac 半导体包含 conducting square-net Dirac 电子层，位于 Mn$X$ 层之间交错排列。在这些材料中，可以发生 canted 反铁磁性，可打破时间反演对称性（TRS），并产生 Weyl 半导体状态。CaMnBi$_2$ 在 $T^{*}\sim 50$ K 以下被提议实现此行为，报告了电导率和光导率中的异常。我们利用偏振和无偏振中子衍射、X射线衍射和密度泛函理论（DFT）计算来探讨单晶 CaMnBi$_{2}$的 underlying 晶体和磁结构。结果表明，观察到的异常并不源于自旋 canting 或弱磁性；未检测到可测量的均匀 Mn 自旋 canting。相反，CaMnBi$_2$ 在 $T^{*} = 46(2)$ K 处发生耦合的结构和磁对称性降低过渡，从 tetragonal 晶格上的 C-type 反铁磁性过渡到 unit-cell 沿 $c$ 轴加倍的正交相位，并对磁性产生最小影响。分析 superlattice 峰强度和晶格畸变显示，连续的二级相变由单个序参数支配。细化的原子位移对应于 Bi-Bi 键的 zig-zag 键序波（BOW）调制，符合 Dirac 电子 Bi 层中长期期待的电子驱动型珀尔斯型不稳定性，Hoffmann 等人 [W.~Tremel 和 R.~Hoffmann, \textit{J. Am. Chem. Soc.} \textbf{109}, 124 (1987); G.~A.~Papoian 和 R.~Hoffmann, \textit{Angew. Chem. Int. Ed.} \textbf{39}, 2408 (2000)] 进行了预测。