郭艳峰、柳仲楷联合团队在磁性拓扑新材料方向取得重要进展

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近日，上海科技大学物质科学与技术学院郭艳峰课题组、柳仲楷课题组与复旦大学李世燕教授课题组合作研究了新磁性拓扑材料EuAs3的电子结构及量子输运物性，证实了EuAs3存在磁性诱导的拓扑相变。相关成果以题为 “Magnetism-induced topological transition in EuAs3”发表于国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。
        在磁性拓扑研究领域，磁性与非平庸拓扑相之间的关联是一个重要的基础科学问题，由于其复杂性，迄今尚未有全局的物理图像能揭示这一关联。在拓扑绝缘体中掺入磁性杂质后，当时间反演对称性破缺导致的表面态交换能隙与费米能级位置满足一定条件时，会出现量子反常霍尔效应，从而实现无耗散电子传输，为延续半导体工业中的摩尔定律提供了重要解决途径。然而，磁杂质掺杂的一个弊端是会带来很强的无序，及电、磁学性质的不均匀性，导致极低的量子反常霍尔效应实现温度，或干扰一些精细拓扑物性（如马约拉纳零能模）的测量。因此，探索并研究具有确定化学计量比的内禀磁性拓扑材料具有重要的科学和应用价值。
        另一方面，在拓扑材料中有一类节线型拓扑半金属，其中存在能带翻转导致的一维节线型非平庸拓扑电子态和鼓膜状表面态。不同于孤立的拓扑节点，受拓扑保护的一维节线有各种构型，比如直线型，曲线型，环状等。当节线靠近费米能级时，材料会表现出更为新奇的物理性质。理论研究曾预言在具有单斜结构（空间群 C2/m, No. 12）的CaP3一类材料（CaP3，SrP3，CaAs3和SrAs3等）中，费米能级附近存在极为简单的节线环拓扑电子结构。这一预言很快在SrAs3中得到了实验证实。利用磁性原子如Eu替换Sr引入长程磁序，可以研究长程磁序与非平庸拓扑态的相互作用。联合研究团队借助角分辨光电子能谱、磁输运测量及第一性原理研究了EuAs3，取得了重要发现。
         首先，在EuAs3顺磁态， 受时间反演对称、空间反演对称及镜面对称性保护，As的4p轨道能带翻转形成的狄拉克线性色散能带的交叉点在布里渊区Y点处围成一个拓扑节线结构。

角分辨光电子能谱测量的EuAs3拓扑节线结构

        其次，在反铁磁态，EuAs3磁结构中Eu2+磁矩与晶体结构b轴平行或反平行，具有共线性反铁磁基态。在反铁磁态，时间反演对称破缺，自旋轨道耦合会在拓扑节线处打开能隙，在布里渊区Γ点附近形成两个狄拉克点，该非平庸拓扑性可根据理论计算及磁输运分析证实。

反铁磁态EuAs3磁输运测量及分析

        进一步的，对EuAs3施加外磁场，在1.8 K及28.3 T磁场下表现出高达2×105%巨大的不饱和磁阻。此外，在外场下，Eu2+ 磁矩沿着外磁场方向发生自旋极化。对自旋极化态能带计算及测量表明，其费米面在其布里渊区Y点形成两个节线环，对应自旋向上及自旋向下两种状态。对其极化态强磁场测量及分析证明存在非平庸拓扑态。

EuAs3在自旋极化状态下的磁输运及分析

        以上研究结果表明，EuAs3内禀的长程磁有序或对其施加外磁场g，均可诱导拓扑相变，该材料展现了丰富的拓扑物性，提供了一个探索磁性与非平庸拓扑态关联的理想平台，且其巨大磁阻及拓扑物性具有潜在的应用前景。
         复旦大学李世燕课题组博士生程二建，上科大物质学院郭艳峰课题组博士毕业生、现拓扑物理实验室博士后夏威，哈尔滨工业大学赵维巍课题组博士研究生石贤彪，上科大物质学院柳仲楷课题组博士研究生房红伟为共同第一作者。柳仲楷教授、郭艳峰教授及李世燕教授为本论文共同通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部，以及上海科技大学启动经费的支持。角分辨光电子能谱测量在上海光源03U线站完成。
        论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26482-7


        文章来源：上海科技大学
      郭艳峰，2008年获得中国科学院物理研究所博士学位，2008年至2015年先后在日本物质材料研究所（NIMS）及牛津大学物理系从事博士后研究，2015年7月份加入上海科技大学，担任新量子物质材料探索研究组组长、研究员及终身制序列（Tenure-track）助理教授。先后获得上海市浦江人才计划、上海市东方学者特聘教授等荣誉。长期从事包括非常规超导体、磁性及拓扑材料等新量子材料探索、单晶生长及物性研究。截至目前发表论文七十多篇，其中逾二十篇发表在Nature Materials，Nature Physics，Journal of the American Chemical Society，Physical Review B，Applied Physics Letters 等国际权威杂志，被引用近1100次。
        柳仲楷,助理教授、上海科技大学研究员,2006年于清华大学数理基础科学专业获理学学士学位；2014年于美国斯坦福大学获得物理学博士学位，导师：沈志勋教授；2014年至2015年在英国钻石同步辐射光源从事博士后研究； 2015年7月加入上海科技大学物质科学与技术学院任助理教授。
           李世燕于1997年在中国科学技术大学物理系获得学士学位，2002年在中国科学技术大学陈仙辉教授的指导下获得博士学位，之后他在加拿大多伦多大学/Sherbrooke大学Louis Taillefer教授的实验室进行了四年半的博士后研究，2007年5月回国加入复旦大学先进材料实验室任研究员，2008年获教育部“新世纪优秀人才”和上海市“浦江人才计划”支持，2010年被聘为“上海市高校特聘教授”（东方学者），2012年被聘为复旦大学物理系“谢希德”青年特聘教授，2014年获上海市“东方学者跟踪计划”支持，2014年获国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金支持，2015年获“上海市优秀学术带头人计划”支持，入选教育部2019年度国家重大人才工程，2015年获得马丁• 伍德爵士中国物理科学奖（Sir Martin Wood China Prize），2016年起担任应用表面物理国家重点实验室常务副主任。2007年起担任中国物理学会低温物理专业委员会委员，2017年被聘为中国核学会锕系物理与化学分会第一届理事会理事，2018年起担任中科院物理所超导国家重点实验室学术委员会委员，2018年起担任《低温物理学报》编委，2019年起担任Frontiers in Materials期刊Quantum Materials领域的Associate Editor。