第一作者：殷嘉鑫，馬文龍，Tyler A. Cochran, 許錫童
通訊作者：殷嘉鑫，賈爽，M. Z. Hasan
通訊單位：普林斯頓大學，北京大學
研究亮點：
研究發(fā)現(xiàn)TbMn6Sn6是一個量子拓撲磁鐵，具有純凈的磁性kagome晶格，三位一體的拓撲體態(tài)——邊緣態(tài)——貝里曲率場。
量子磁鐵的重要性和研究難點
上世紀八十年代由諾貝爾獎獲得者Klaus von Klitzing發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應是人類第一次觀測到物質的拓撲量子態(tài)。從那時起，理論數(shù)學中的一個名為拓撲的分支第一次從根本上改變了我們對構成周圍世界的事物的描述方式，物理學家開始對物質的拓撲態(tài)進行了深入研究。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多具有拓撲電子結構的新型材料，包括拓撲絕緣體和狄拉克/外爾半金屬。
然而，當前所探索的大多數(shù)材料都是非磁性的，而一些前沿的理論預測拓撲磁體可能會有更為新奇的量子性質，以及更好的應用前景。1988年，諾貝爾獎獲得者物理學家Duncan Michael Haldane在這個方向率先提出了開創(chuàng)性的概念，此后稱為Haldane模型 [PRL 61, 2015–2018 (1988)]。2005年，賓夕法尼亞大學Charles Kane和Eugene Mele教授進一步發(fā)表了見解，指出自旋軌道效應對于實現(xiàn)Haldane模型非常重要[PRL 95, 226801 (2005)]。終于在2011-2015年，麻省理工學院的文小剛和斯坦福大學的張首晟教授等人分別進一步預測，具有Kane-Mele自旋軌道效應和面外鐵磁性的kagome（竹籠）晶體有望在高溫實現(xiàn)Haldane長期尋求的新奇拓撲態(tài)[PRL 106, 236802 (2011), PRL 115, 186802 (2015)]。
然而，這些材料的合成和實驗驗證還有著巨大的困難：理論預言的一些kagome材料很多都無法合成，kagome材料的復雜磁性往往超出了理論的預期，實驗上無法測量到直接與拓撲態(tài)有關的信號等等。近年來，普林斯頓大學和北大的學者以及他們的合作者們將Haldane-Kane/Mele-Wen/Zhang的理論與先進的晶體生長和測量儀器相結合，終于破解了這個難題。
成果簡介
通過對幾種kagome磁體家族系統(tǒng)研究【1-3】，研究團隊逐漸意識到，TbMn6Sn6具有理想的晶體結構，具有化學組分純凈且空間分離的kagome晶格層。此外，它獨特地具有強大的面外磁化強度。他們成功合成了大塊高質量TbMn6Sn6單晶，并利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡成功捕捉到了長期探求的量子拓撲信號。
圖1. 量子拓撲磁鐵TbMn6Sn6。具有鐵磁性的kagome晶格，可量子化的電子態(tài)包括一個磁性的狄拉克錐和一個Chern能間隙，以及拓撲邊緣態(tài)。
要點1：原子尺度觀測到純凈的磁性kagome晶格
如圖2，實驗人員利用具有掃描隧道顯微鏡在原子尺度下測量了TbMn6Sn6的解離面，他們發(fā)現(xiàn)由磁性Mn原子構成的kagome面幾乎沒有任何缺陷。這樣純凈的磁性kagome晶格為探測量子拓撲態(tài)提供了有利條件。
圖2. 純凈磁性kagome晶格的實現(xiàn)。
要點2：Kagome電子的拓撲量子化能級
實驗人員進一步測量kagome晶格的電子態(tài) （圖3）。他們發(fā)現(xiàn)在引入磁場后，電子形成量子化能級。對能級的理論分析揭示出系統(tǒng)存在一個磁性的狄拉克錐以及一個Chern（陳數(shù)）能隙, 表明kagome晶格具有磁性拓撲性質。
圖3. Kagome電子的拓撲量子化能級。
要點3：Kagome電子的拓撲邊緣態(tài)和貝里曲率
實驗人員進一步研究kagome晶格的邊緣電子態(tài) （圖4）。他們發(fā)現(xiàn)邊緣態(tài)存在于體態(tài)的Chern能隙內，并且不受雜質散射，表明是拓撲邊緣態(tài)。實驗人員同時也研究了譜學測量數(shù)據(jù)推測的貝里曲率以及其相應的輸運相應，他們發(fā)現(xiàn)與實際的輸運測量信號是一致的，再次驗證了材料的拓撲性質。
圖4. Kagome電子的拓撲邊緣態(tài)和貝里曲率。
小結
研究發(fā)現(xiàn)TbMn6Sn6是一個量子拓撲磁鐵，為研究RMn6Sn6 (R是稀土金屬元素)體系的其他材料的量子或拓撲性質提供了參照。提出了“體測量—邊緣測量—貝里曲率測量”三位一體的一種普適的研究磁性拓撲材料的研究方法。
后記
普林斯頓和北大研究團隊以及他們的合作者們近些年來一直致力于kagome磁體的矢量磁場下的譜學和輸運測量，為快速識別這個新型拓撲磁體奠定了方法學基礎。尤為難得的是，一般拓撲材料的發(fā)現(xiàn)都是依靠第一性原理的預測，而他們發(fā)現(xiàn)的這種材料事先并未被第一性原理理論預言，因此具有很強的實驗原創(chuàng)性。因為文章原創(chuàng)性很高，投稿的第二天就被Nature編輯送審。雖然團隊以及在該領域內發(fā)表過多篇權威文章，作者勇敢采用了雙盲的審稿方式，以期與審稿人以及編輯一起對這個科學發(fā)現(xiàn)進行充分的探討。發(fā)表的文章還包了大量拓展數(shù)據(jù)，對文章的發(fā)現(xiàn)進行了多方向拓展。研究過程中，作者有幸和拓撲磁體的理論創(chuàng)始人，普林斯頓大學諾獎獲得者Haldane先生一起研究了他們的發(fā)現(xiàn)，得到了Haldane先生的理論指點。目前團隊正設計新的實驗希望進一步加深對拓撲磁體的實驗闡釋以及應用推廣。
參考文獻及原文鏈接：
【1】Jia-Xin Yin, et al. Giant and anisotropic many-body spin-orbit tunability in a strongly correlated kagome magnet. Nature 562, 91-95 (2018).
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0502-7
【2】Jia-Xin Yin, et al. Negative flat band magnetism in a spin-orbit coupled correlated kagome magnet. Nature Physics 15, 443 (2019).
https://www.nature.com/articles/s41567-019-0426-7
【3】Yin, J., Ma, W., Cochran, T.A. et al. Quantum-limit Chern topological magnetism in TbMn6Sn6. Nature 583, 533–536 (2020). https://www.nature.com/articles/s41586-020-2482-7#article-info
