贾爽课题组发现了调控笼目磁体陈数能隙的新机制

探索具有电子关联作用的拓扑量子材料一直是凝聚态物理研究的前沿领域之一。理论学家预测，具有Kane-Mele自旋轨道耦合和面外铁磁性的笼目晶格（Kagome Lattice）有望实现包括高温本征量子反常霍尔效应在内的多种新奇拓扑物态。探索具有纯净笼目晶格和面外铁磁性材料的工作在2020年获得了突破，代表材料是我们和合作者发现的首个高温陈数笼目磁体TbMn6Sn6[Nature 583, 533–536 (2020)]。

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心贾爽课题组、普林斯顿大学的M. Zahid Hasan研究组以及相关合作者进一步研究了稀土元素对RMn6Sn6（R=Gd-Tm，Lu）中拓扑电子结构的影响，通过电输运和谱学实验证实了稀土元素可以有效的调节笼目磁体中的陈数能隙。

研究人员通过替换不同的稀土元素，系统地研究了一系列与TbMn6Sn6具有类似量子输运特性的笼目磁体RMn6Sn6。这一系列样品均表现出具有非平庸贝利相位的SdH量子振荡以及由贝利曲率场引起的本征反常霍尔效应。这与合作者在角分辨光电子能谱（ARPES）上观测到的狄拉克线性色散相结合，证明了该系列样品是一族具有有质量狄拉克费米子的陈数拓扑磁体。同时，这一族材料的拓扑能带结构呈现出随稀土元素系统性变化的趋势（图1）。研究团队认为4f与3d电子之间的相互作用是稀土元素可以在RMn6Sn6中充当量子调节旋钮的原因。该工作发现了一种不同于Kane-Mele模型的陈数能隙调控方式，这为未来关联体系中拓扑电子的量子操控开辟了方向。

该工作以“Rare Earth Engineering in RMn6Sn6 (R = Gd –Tm, Lu) Topological Kagome Magnets”为题，于2021年6月16日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上【https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.246602】。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M. Zahid Hasan 教授是本文的共同通讯作者，量子材料科学中心博士研究生马文龙，许锡童（已毕业）以及普林斯顿大学博士后殷嘉鑫为本文共同第一作者。这一工作的理论合作者为量子材料科学中心的王垡研究员和博士研究生杨辉。该工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，中科院卓越创新中心，北京量子研究院等支持。

 

                         

          图1 RMn6Sn6系列样品的狄拉克锥能量(ED)和能隙( )。ED和 的系统演变分别与稀土原子的de Gennes因子呈平方根和线性关系。插图：具有陈数能隙的狄拉克锥。