手性反铁磁体 CeRhC$_2$ 的结构与物理性质

我们报道了对多晶 CeRhC$_2$ 样品的结构、磁学、输运及热力学性质的研究。CeRhC$_2$ 结晶为空间群 $P4_1$ 的四方结构,并在 $T_\textrm{N1} \approx$ 1.8 K 以下呈反铁磁有序。粉末中子衍射测量揭示了一种具有单一传播矢量 $Q_m = (1/2,1/2,0)$ 的手性磁结构,表明 Ce 磁矩在 $ab$ 面内呈反铁磁排列,并沿 $c$ 轴具有与 YbRh$_2$Si$_2$ 类似的序,其均方根有序矩为 $m_\textrm{rms} = 0.68$\mu_\textrm{B}$/Ce。施加磁场使 Néel 温度$T_\textrm{N1}$在$\mu_0H_\textrm{c1}\sim$0.75 T 附近抑制至零。然而,在高于 0.5 T 的电场电阻率、霍尔与热容测量中出现了第二反铁磁相($T_\textrm{N2}$),并外推至$\mu_0H_\textrm{c2}\sim$1 T 处零温。电阻率测量显示 LaRhC$_2$为带隙$E_\textrm{g}\sim24$meV 的半导体;而电阻与霍尔测量表明 CeRhC$_2$为载流子浓度低至$n\sim10^{20}$cm$^{-3}$的半金属。在静水压下,CeRhC$_2$的零场反铁磁转变略有增强,且在高达 1.36 GPa 下金属性明显增强。该金属化趋势与密度泛函计算一致,计算表明 LaRhC$_2$与 CeRhC$_2$均为半金属,但 CeRhC$_2$的能带交叠更大,其晶胞体积小于 La 对应物。这表明在 RRhC$_2$(R = 稀土)中以 Ce 替代 La 时,因晶格收缩能带隙闭合,与实验结果相符。