穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶復(fù)旦大學(xué)、上??萍即髮W(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中科院合肥研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心合作,借助SHMFF所屬水冷磁體WM5研究了強(qiáng)磁場下EuAs3單晶的量子輸運(yùn)物性并證實(shí)了EuAs3存在磁性誘導(dǎo)的拓?fù)湎嘧?。相關(guān)成果以題為 “Magnetism-induced topological transition in EuAs3”發(fā)表于國際著名期刊《自然:通訊》(Nature Communications)。
在磁性拓?fù)溲芯款I(lǐng)域,磁性與非平庸拓?fù)湎嘀g的關(guān)聯(lián)是一個重要的基礎(chǔ)問題,由于其復(fù)雜性,迄今尚未有全局的物理圖像。在拓?fù)浣^緣體中摻入磁性雜質(zhì),當(dāng)時(shí)間反演對稱性破缺導(dǎo)致的表面態(tài)交換能隙與費(fèi)米能級位置滿足一定條件時(shí),會出現(xiàn)量子反?;魻栃?yīng),從而實(shí)現(xiàn)無耗散電子傳輸,為延續(xù)半導(dǎo)體工業(yè)中的摩爾定律提供了一條重要解決途徑。然而,磁雜質(zhì)摻雜的一個弊端是會帶來很強(qiáng)的無序及電、磁學(xué)性質(zhì)的不均勻性,從而導(dǎo)致極低的量子反?;魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)溫度,或干擾一些精細(xì)拓?fù)湮镄缘臏y量,如馬約拉納零能模等的研究。因此,探索并研究具有確定化學(xué)計(jì)量比的內(nèi)稟磁性拓?fù)洳牧暇哂兄匾目茖W(xué)意義和應(yīng)用前景。
同時(shí),在拓?fù)洳牧现?,有一類?jié)線型拓?fù)浒虢饘伲渲写嬖谀軒ХD(zhuǎn)導(dǎo)致的一維節(jié)線型非平庸拓?fù)潆娮討B(tài)和對應(yīng)的鼓膜狀表面態(tài)。不同于孤立的拓?fù)涔?jié)點(diǎn),受拓?fù)浔Wo(hù)的一維節(jié)線有各種構(gòu)型,比如直線型,曲線型,環(huán)狀等。當(dāng)節(jié)線靠近費(fèi)米能級時(shí),材料會表現(xiàn)出更為新奇的物理性質(zhì)。理論預(yù)言在具有單斜結(jié)構(gòu)(空間群 C2/m, No. 12)的CaP3一類材料(CaP3,SrP3,CaAs3和SrAs3等)中,費(fèi)米能級附近存在極為簡單的節(jié)線環(huán)拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu),并且很快在SrAs3中得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。利用磁性原子如Eu替換Sr引入長程磁序,可以研究長程磁序與非平庸拓?fù)鋺B(tài)相互作用。研究團(tuán)隊(duì)復(fù)旦大學(xué)博士生程二建,上??萍即髮W(xué)博士后夏威、博士生房紅偉,哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生石賢彪,在李世燕教授、郭艷峰教授、柳仲楷教授指導(dǎo)下,與中科院強(qiáng)磁場科學(xué)中心皮靂研究員、郗傳英副研究員合作,借助強(qiáng)磁場電輸運(yùn)測量系統(tǒng)、角分辨光電子能譜測量及第一性原理研究了EuAs3,取得了重要發(fā)現(xiàn):
一、在EuAs3順磁態(tài),受時(shí)間反演對稱、空間反演對稱及鏡面對稱性保護(hù),As的4p軌道能帶翻轉(zhuǎn)形成的狄拉克線性色散能帶的交叉點(diǎn)在布里淵區(qū)Y點(diǎn)處圍成一個拓?fù)涔?jié)線結(jié)構(gòu)(圖1);

圖1.角分辨光電子能譜測量的EuAs3拓?fù)涔?jié)線結(jié)構(gòu)
二、在反鐵磁態(tài),EuAs3磁結(jié)構(gòu)中Eu2+磁矩與晶體結(jié)構(gòu)b軸平行或反平行,具有共線性反鐵磁基態(tài)。在反鐵磁態(tài),時(shí)間反演對稱破缺,自旋軌道耦合會在拓?fù)涔?jié)線處打開能隙,在布里淵區(qū)Γ點(diǎn)附近形成兩個狄拉克點(diǎn),該非平庸拓?fù)湫钥筛鶕?jù)理論計(jì)算及磁輸運(yùn)分析證實(shí)(圖2);

圖2. 反鐵磁態(tài)EuAs3磁輸運(yùn)測量及分析
三、對EuAs3施加外磁場,在1.8 K及28.3 T磁場下表現(xiàn)出高達(dá)2×105%巨大的不飽和磁阻。此外,在外場下,Eu2+ 磁矩沿著外磁場方向發(fā)生自旋極化。對自旋極化態(tài)能帶計(jì)算及測量表明(圖3),其費(fèi)米面在其布里淵區(qū)Y點(diǎn)形成兩個節(jié)線環(huán),對應(yīng)自旋向上及自旋向下兩種狀態(tài)。對其自旋極化態(tài)的強(qiáng)磁場輸運(yùn)及測量結(jié)果分析證明電子結(jié)構(gòu)存在非平庸拓?fù)鋺B(tài)。

圖3. EuAs3在自旋極化狀態(tài)下的磁輸運(yùn)及分析
以上研究結(jié)果表明,EuAs3內(nèi)稟的長程磁有序或施加外磁場,均可誘導(dǎo)拓?fù)湎嘧?,展現(xiàn)了豐富的拓?fù)湮镄?,提供了一個探索磁性與非平庸拓?fù)鋺B(tài)關(guān)聯(lián)的理想平臺,并且其巨大磁阻及拓?fù)湮镄跃哂袧撛诘膽?yīng)用前景。