《自然》报道贾爽及合作者的最新成果：发现陈数笼目磁体TbMn6Sn6

电子的关联作用与拓扑性是凝聚态物理学研究的前沿领域之一。探索具有关联效应的拓扑材料，有望实现各种新奇的量子效应，具有重要的研究意义。诺贝尔奖获得者D. Haldane教授曾经提出，关联电子特殊的能带波函数结构可以在无外磁场的作用下产生非平庸的陈数能隙 （Chern gap），从而实现量子反常霍尔效应 [PRL 61, 2015 （2008）]。陈数笼目磁体（Kagome Magnet）是一种可以有效地实现Haldane模型的备受瞩目的关联拓扑材料。它的笼目晶格由角共享三角形构成，并在布里渊区边角处具有相对论性的能带交叉。理论计算表明，在笼目晶格中引入自旋轨道耦合和平面外铁磁有序，就可以实现Haldane模型，生成具有手性边界模式的陈数能隙狄拉克费米子。然而在各种材料中筛选出一种具有较强平面外铁磁性的笼目磁体是相当困难的。

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心贾爽副教授、普林斯顿大学的M. Zahid Hasan 教授以及合作者研究了一种新的笼目磁体TbMn₆Sn₆。这种材料具有分立的纯净锰原子形成的笼目晶格；而且其同时具有平面外铁磁基态以及较大的磁矫顽力。实验利用光谱成像方法直接观察到了具有平面外磁化的纯净锰基笼目晶格。当外加磁场时，在笼目晶格上观测到了明显的朗道量子化（图一），这在其他任何笼目材料中都没有发现。这种特有的朗道扇结构揭示了自旋极化的狄拉克费米子具有很大的陈数能隙。实验还发现了显著的本征反常霍尔效应标度（图二），这与谱学研究结果完全一致，证明能隙的陈数为1。

图1：量子极限下的狄拉克电子。（a）锰基笼目晶格的朗道扇图。（b）利用具有自旋极化和陈数能隙的狄拉克色散关系拟合朗道扇。（c）光电子能谱和隧穿谱获得的狄拉克色散关系。（d）陈数能隙与磁化强度随磁场的变化关系（e）通过台阶边缘以不同能量拍摄的dI/dV图；在陈数能隙（130meV）范围内显示了明显的边缘态。