The Innovation | 拓扑电子态耦合调控新方式：磁场诱导非共线磁结构

导

读

拓扑物态是指具有特殊电子结构和拓扑稳定性的一类电子态，与传统电子行为迥异，表现出丰富的奇异拓扑量子行为。拓扑物态与磁的本征结合，成为当前凝聚态物理的一个新兴热点。借助外场对拓扑电子态及其宏观输运行为进行有效调控是实现未来量子器件的重要需求，也是当前磁性拓扑电子学的前沿课题。

图1 外磁场诱导的非共线磁结构对拓扑电子态和非常规输运行为的调制

近年来，具有非平庸拓扑电子态的材料受到凝聚态物理学家的广泛关注。在该类体系中，拓扑电子态可诱发诸多新奇的磁电输运行为，为高性能自旋电子学器件和未来量子器件设计带来了新的契机。如何进一步通过外场实现对拓扑电子态和横向输运行为的调控是这类材料实际应用的关键，这意味着横向输运行为将强烈依赖于体系中拓扑电子态的演化。

自首个磁性外尔半金属Co₃Sn₂S₂于2018年在实验上实现之后，拓扑相关物态在各种磁性拓扑材料中被陆续发现，并迅速向自旋电子学、量子输运、光物理、热电、催化等方向拓展，尤其促进了拓扑磁电子学的兴起。在磁性拓扑材料中，费米能级附近具有拓扑特性的节线或外尔点可诱发巨大的内禀反常霍尔、反常能斯特、磁光克尔等拓扑增强效应，其电子行为可由体系的拓扑态所决定。同时，磁性拓扑材料的物态也便于通过外磁场调控。因此，磁性拓扑材料成为研究电输运行为和拓扑电子态关联的理想体系。

近日，中国科学院物理所申建雷博士生（已毕业）、刘恩克研究员、沈保根院士，与王志俊研究员、石友国研究员、李更副研究员、高鸿钧院士，发挥中国科学院建制化科研机制，结合单晶生长、磁性、输运、计算、谱学等系列研究手段，首次在磁性外尔半金属EuB₆中利用磁场诱发非共线磁结构，实现了对拓扑电子态及其电输运行为的同步调控。

图2 EuB₆的磁性和非常规横向输运行为

稀土基铁磁材料EuB₆最近被理论和实验证实为新的铁磁拓扑材料。该材料具有较弱的磁晶各向异性能，其磁矩取向容易被磁场调控。通过磁场操控实空间中自旋取向改变其镜面对称性，有望进一步实现对动量空间中拓扑电子态和宏观电输运的调控。在输运测量中，沿体系的难磁化轴施加磁场可诱发显著的非常规反常霍尔效应(图2D-H)，观察到反常霍尔电导和霍尔角在5 kOe磁场时分别高达1000 S/cm和10%。

图3 非共线磁结构下的拓扑电子能带

由于对称性的改变，外磁场诱发的非共线磁结构导致体系费米能级附近的拓扑电子能带随着自旋倾斜角度的增加而发生退简并和劈裂，形成了更多线性交叉能带(图3B-E)。在自旋-轨道耦合效应作用下，这些新增的线性交叉能带形成更多的节线或外尔点，为体系带来更强的贝里曲率和更强的反常霍尔电导(图3F-H)。当磁化趋于饱和时，非共线磁结构和拓扑电子能带劈裂逐渐消失，致使体系的贝里曲率减弱，从而导致体系仅在磁化过程中产生显著的非常规反常霍尔效应。

图4 磁场依赖的电子态密度演化

沿体系的难磁化轴施加磁场，诱发自旋倾斜，导致体系的能带折叠和局域的电子态密度发生改变。扫描隧道显微术(STM/S)图谱显示，体系费米能级附近的电子态密度随磁场发生同步演化(图4)，在5 kOe的相同场附近出现电子态密度(dI/dV)的峰值(图4E)。这为外磁场诱发的拓扑电子能带折叠和非常规反常霍尔效应提供了直观的谱学实验证据。

图5 非共线磁性与非常规输运行为之间关系的物理图像

以往，磁化过程中非线性霍尔信号被普遍认为是由实空间中的拓扑磁结构所引起的。在本研究中，通过磁场诱发非共线磁结构，观察到了拓扑电子态和电子态密度的演化，并产生了显著的非常规反常霍尔效应。这表明外磁场可改变磁结构并进一步调控拓扑电子态，揭示了磁性和拓扑态之间的相互作用(图5)。在体系磁化过程中观察到的非线性霍尔的物理起源可以归因于动量空间中拓扑电子态的演化。

总结与展望

在磁性拓扑半金属EuB₆中，通过外磁场诱发非共线磁结构，实现了对拓扑电子态和横向输运的同步调控。之前，外磁场对拓扑电子态的调控仅体现在外尔点的移动。本研究则发现了一种新的调控方式，即可以通过磁场诱导自旋倾斜效应从而产生新的拓扑电子态和非常规输运行为。这一发现建立了实空间非共线磁性与动量空间拓扑电子态之间的关联，为未来拓扑自旋电子学器件的设计和应用提供了一种有效的调控方式，将促进拓扑磁电子学的前沿发展。

责任编辑

杜   强    中国科学院工程热物理研究所

闫家旭   中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00027-9

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第二期以Report发表的“Magnetic-field modulation of topological electronic state and emergent magneto-transport in a magnetic Weyl semimetal” (投稿: 2022-12-01；接收: 2023-02-14；在线刊出: 2023-02-20)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100399

引用格式：Shen J., Gao J., Yi C., et al. (2023). Magnetic-field modulation of topological electronic state and emergent magneto-transport in a magnetic Weyl semimetal. The Innovation. 4(2),100399.

作者简介

申建雷，中国科学院物理所博士毕业，现为山西师范大学副教授，硕士生导师。主要从事磁性拓扑材料单晶生长和物性研究。首次在实验上实现拓扑电子态和横向输运行为的同步调控，并在磁性外尔半金属中观测到最大的零场下反常霍尔角。目前已在Nat Commun、PRL、Adv Funct Mater、APL等期刊上发表研究论文20余篇。曾获全国宝钢优秀学生奖学金。主持国家自然科学基金青年项目和山西省基础研究计划青年项目。

刘恩克，中国科学院物理所研究员，博士生导师。主要从事磁性拓扑材料与物理、磁相变材料与物性研究。在国际上首次实现了磁性外尔费米子拓扑物态，提出了全过渡族all-d-metal Heusler合金家族，发现了磁相变材料的“居里温度窗口”效应。已在Science、Nat Phys、Nat Electron、PRL、PNAS等期刊上发表研究论文200余篇，授权新材料国际专利4项。曾获中国科学院院长奖学金特别奖、中国科学院百篇优博论文奖、中国科学院青促会优秀会员基金、国家基金委“优青”基金、国家自然科学二等奖（2017，排名第四）等。主持基础研究、重要仪器等研究项目多项。

李 更，中国科学院物理所副研究员。主要研究领域为基于极低温强磁场扫描隧道显微镜的新型低维材料和量子功能材料的物性表征与调控。发现了多种铁基超导马约拉纳零能模平台，首次实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列；首次构筑了石墨烯/硅烯异质结构以及新型二维原子晶体材料单层碳化硅Si₉C₁₅等。在Nature、Nat Commun、Adv Mater等期刊发表文章40余篇，受邀在相关领域撰写综述文章5篇。在“马约拉纳任意子的直接观测研究团队”中担任骨干成员，获2020年中国科学院先进集体称号。

王志俊，中国科学院物理所研究员，博士生导师。主要从事能带拓扑分类，材料计算和物性研究，先后预言过狄拉克半金属Na₃Bi、本征拓扑超导材料FeSe_1-xTe_x、沙漏费米子材料KHgSb、三度简并费米子CoSi，被实验证实，受到广泛关注和认可。发表SCI论文90余篇，包括Nature、Science、PRL、PRB期刊等。2020年获得国际纯粹物理与应用物理联合会颁发的“计算物理青年科学家奖”，2019-2022连续四年入选科睿唯安“全球高被引科学家”物理领域榜单。

石友国，中国科学院物理所研究员，博士生导师。主要从事物理导向的新材料探索和功能材料单晶生长。首次发现铁电结构相变的金属氧化物LiOsO₃，证实了Anderson 1965年提出的铁电金属概念。实行建制化科研，以理论计算为导向，进行功能单晶生长，为国内外100多个课题组提供了高质量单晶。其中，生长的MoP单晶验证了三重简并费米子的存在，该成果获得2017年十大科学进展/十大科技进展、中国科学院年度科技创新亮点成果。在Nature、Nat Mater、PRL/PRX、Nat Commun等期刊发表论文300多篇。主持国家基金委联合重点基金、北京市基金委联合重点专项等项目。

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