武汉大学徐楠教授团队和安徽大学熊奕敏教授团队：在kagome磁体中发现费米能级平带

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Citation

Fermi-level flat band in a kagome magnet

T. Y. Yang, Q. Wan, J. P. Song, Z. Du, J. Tang, Z. W. Wang, N. C. Plumb, M. Radovic, G. W. Wang, G. Y. Wang, Z. Sun, Jia-Xin Yin, Z. H. Chen, Y. B. Huang, R. Yu, M. Shi, Y. M. Xiong* and N. Xu*

Quantum Frontiers 1, 14 (2022)  

https://link.springer.com/article/10.1007/s44214-022-00017-7

研究背景

由于独特的晶体结构，kagome材料中蕴含着丰富的新奇量子态，例如自旋液体、非共线磁性、拓扑Chern绝缘体和非常规电荷有序等。kagome晶格的电子结构存在平带、狄拉克锥和范霍夫奇点，是研究电子关联效应和拓扑性质间相互作用的良好平台。目前学者们已经成功地在多个kagome材料中发现了平带。然而，在这些材料中，平带距离费米能级较远（通常距离费米能级100 meV），限制了其在基础研究和器件应用的潜力。

研究亮点

1. 本文系统的观测了顺磁体 的电子能带结构，实验发现了处于费米能级的平带、狄拉克锥和范霍夫奇点等kagome晶格的特征能带结构，揭示了电子轨道对于实现kagome晶格特征能带结构起着关键作用。

2.通过在 位替换 ，输运实验在 和 样品中观测到低温铁磁序，破坏体系的时间反演对称性。

研究进展

     来自武汉大学高等研究院的徐楠教授团队和安徽大学物理与光电工程学院的熊奕敏教授团队，通过角分辨光电子能谱实验、输运测试和第一性原理计算，系统地研究了kagome材料家族 的电子能带结构和磁学性质。实验观测到位于费米能级处的平带及狄拉克色散、范霍夫奇点等特征，证实了 顺磁相具有典型的kagome晶格电子能带结构。结合理论计算明确指出，费米能级平带来源于 轨道电子，揭示了轨道特性对于在过渡金属kagome晶格中实现平带起着重要作用。

通过进一步引入磁性稀土元素Gd，在 和 样品中实现了铁磁有序，转变温度～11 K。通过角分辨光电子能谱实验证明了 材料家族具有一致的顺磁态电子结构----费米能级处的平带。铁磁态的引入可以破坏体系的时间反演对称性，有望在该体系中实现理论预言的新奇量子态。该工作不仅在kagome材料中实现了费米能级处的平带，阐明了电子轨道在实现平带的重要影响，还为研究kagome晶格与时间反演对称性破缺、自旋轨道耦合之间的相互作用提供了一个理想的材料平台。

图文导读

图1： 中的费米能级平带与轨道选择性。（a）沿面内高对称线方向的能带曲率图。红线和黄线表示 和 轨道。（b） 平面的费米面强度图。（c）沿面外Γ-A方向的能带强度图。（d）计算得到的 轨道的能带投影。插图显示了没有/有自旋轨道耦合的计算能带之间的对比。（e-f）Cr-kagome晶格和 轨道示意图。（g）-（i）与（d）-（f）相同，但对应 轨道。（j）不同轨道在费米能级附近的态密度图。

实验观测到的能带结构与典型的kagome晶格的电子能带结构一致，具有费米能级平带、范霍夫奇点和狄拉克锥。理论计算表明，费米能级平带来自于 轨道电子，源于其轨道空间分布。在kagome晶格中， 轨道电子以最近邻位的跃迁为主（t1），其他平面内跃迁项 (t2／t3)相应较小，因此可以实现平带。对于其他轨道（），其他平面内跃迁项t2／t3不可忽略，因此破坏几何阻错和平带的产生。

图2:（a） 磁化率的温度依赖。（b） 的M-H曲线。插图显示了T = 2 K时的磁滞行为。（c） 和 的芯能级谱。（d） 和沿Γ-M方向的能带色散。（e）对应的能量分布曲线。

 磁化率的温度依赖测量结果显示出明显的居里-外斯行为，铁磁转变温度  ~ 11.2 K。磁化强度在 以下显示饱和和迟滞，进一步证实了铁磁性。在 在顺磁态的电子能带结构与 非常一致，同样具有费米能级能带。通过铁磁相的时间反演对称性破缺和自旋轨道耦合作用，平带可以解除自旋简并，并在Γ点以打开能隙的形式从α带中分离出来。这使得 有望实现拓扑Chern带，以及相应的新奇量子态。

作者简介

共同第一作者

杨天宇 博士研究生

武汉大学高等研究院

共同第一作者

万强 博士研究生

武汉大学高等研究院

共同通讯作者

熊奕敏 教授

安徽大学物理与光电工程学院

主要研究方向

• 探索新型拓扑量子材料以及它们在低温和强磁场下的新颖物理性质，主要包括：拓扑磁性材料、新型超导体和低维功能器件等。

主要研究成果

• 发表SCI论文90余篇，总引用1500多次。

• Email: [e-mail]

共同通讯作者

徐楠 教授

博士生导师、国家级青年人才

武汉大学高等研究院

主要研究方向

• 利用角分辨光电子能谱技术研究拓扑材料、强关联和低维体系的电子结构和物理机理，主要包括拓扑近藤绝缘体、拓扑半金属和低维材料体系等。

主要研究成果

• 在Nature Physics、Nature Materials、Physical Review Letters，Physical Review X、Nature Communications等学术期刊上发表论文50余篇，总引用超过3500次。

• 2017年获瑞士物理学会“SPS-IBM凝聚态物理奖”

• Email：[e-mail]

往期回顾

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