上海科技大学齐彦鹏-中国人民大学雷和畅合作团队：具有笼目晶格的拓扑量子材料

近日，上海科技大学拓扑物理实验室齐彦鹏团队和中国人民大学物理学院雷和畅团队的AMR述评文章“Topological Quantum Materials with Kagome Lattice”在线发表。文章总结了具有笼目晶格的拓扑量子材料在常压和高压下表现的新奇量子性质，同时展望了该领域未来的发展前景。

关键词：笼目晶格，拓扑量子材料，反常霍尔效应，拓扑霍尔效应，超导，电荷密度波

1 文章内容简介

近年来，具有笼目晶格的拓扑量子材料已快速发展为一类新兴的拓扑材料体系，成为凝聚态物理领域的前沿研究热点，引起了国内外研究人员的广泛关注。顶角共享三角形构成的二维笼目晶格，一方面具有强几何阻挫效应，被认为是实现量子自旋液体态等奇异量子态的候选体系之一；另一方面具有非平庸的拓扑电子结构，可以产生四重简并的狄拉克点，无色散的平带和范霍夫奇点。

非平庸的拓扑特性和拓扑磁激发有望在传导电子的输运中发挥重要作用。例如，费米能级附近有质量的狄拉克费米子或磁性外尔费米子对动量空间中的贝利曲率有显著的增强作用，可以导致较大的内禀反常霍尔效应；磁阻挫结构为拓扑保护的斯格明子晶格或非共面的自旋织构的稳定存在提供了可能，而这些磁结构又可以产生由实空间贝利相位贡献的拓扑霍尔效应。此外，笼目晶格中的范霍夫奇点和平带可能产生一些关联效应，如超导电性、电荷/自旋密度波态等。

笼目晶格是一个奇妙独特的几何结构，蕴含了丰富多彩的物理特性，为研究奇异磁性、量子态、非平庸拓扑和关联效应提供了一个理想的平台。在这篇Account中，我们系统地阐述了具有过渡金属笼目晶格的拓扑量子材料的研究进展，包括笼目材料Fe₃Sn₂、Co₃Sn₂S₂、YMn₆Sn₆、CsV₃Sb₅、Pd₃P₂S₈等。通过对传导电子输运行为的系统测量，结合理论计算和谱学研究，探究了笼目结构中的奇异拓扑量子现象，如动量空间或实空间贝利相驱动的巨大电磁响应，包括反常霍尔效应、拓扑霍尔效应；压力下增强的甚至诱导的超导电性。其中2016年在铁基笼目铁磁体Fe₃Sn₂中发现大的内禀反常霍尔效应、2018年首次在钴基笼目铁磁体Co₃Sn₂S₂中发现磁性外尔费米子，引起了国内外同行的高度关注。而2021年系统研究了钒基笼目金属CsV₃Sb₅中的电荷密度波及其压力下与超导电性之间的关系，则有助于厘清AV₃Sb₅家族中的竞争电子序关联和超导机理。除此之外，我们与国内外其他研究组紧密合作，在笼目量子材料中发现了平带抗磁性、可调节的局域磁性、非互易电输运行为等等。这些工作不仅丰富了笼目材料家族的多样性，并且为研究阻挫、拓扑和关联效应之间的耦合效应提供了契机。最后，我们展望了目前笼目量子材料领域存在的挑战和机遇，期待探索更多新型具有笼目晶格的拓扑量子材料，研究新奇的物性和背后的物理机制。

2 AMR：请问您对该领域有何发展愿景？

作者团队：

具有笼目晶格的拓扑材料是一类独特的量子材料，对笼目拓扑材料的深入研究，不仅可以探索新的拓扑量子现象，研究背后的物理机制，促进新兴拓扑物态的发展，还可以厘清磁性，拓扑和强关联之间的关系，为在自旋电子学器件、量子计算等领域的应用打下良好基础。因此，新型笼目拓扑量子材料的探索，无论从基础研究还是器件应用都具有广阔的发展前景。

3 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会

作者团队：

近年来，尽管笼目晶格拓扑量子材料取得了快速的发展，但是仍然有很多值得进一步研究的问题，包括但并不局限于如下几个方面：

   1）尽管钒基AV₃Sb₅ (A = K，Rb，Cs) 家族的发现极大地推进了笼目体系中超导电性的研究，但目前笼目材料体系中超导体的研究还相对较少，需要结合理论设计与材料生长，探索更多的笼目超导体，并进一步研究笼目晶格中拓扑能带结构与超导电性的关联。

   2）理论预言时间反演对称性破缺的二维磁性笼目晶格可能有望实现量子反常霍尔效应。然而，实验上获得具有完美二维笼目晶格的磁性材料体系仍然存在困难，量子化的反常霍尔电导尚未在真实的笼目材料中观察到。随着更多的二维磁性笼目材料的发现，或许有望实现这一独特的低维量子现象。

   3）笼目材料独特的层状结构，为探索低维物性提供了一个理想的研究平台。通过先进的机械剥离、离子液体调控、化学插层等实验技术，在二维极限下，对笼目晶格多种量子态进行调控，希望发现新的物理现象，研究背后的物理机制。

作者简介

王琦，上海科技大学拓扑物理实验室助理研究员。2020年于中国人民大学物理学系获得博士学位。研究兴趣包括拓扑材料探索和制备以及极端条件 (极低温，强磁场，超高压) 下的物性研究，包括反常霍尔效应，拓扑霍尔效应，超导电性等。

雷和畅，中国人民大学物理学院教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。2009年毕业于中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所，获得凝聚态物理学博士学位。2009-2012年和2012-2014年期间分别在美国布鲁克海文国家实验室Cedomir Petrovic研究组和日本东京工业大学Hideo Hosono研究组从事博士后研究。2014年底加入中国人民大学。主要从事实验凝聚态物理研究，包括拓扑量子材料、新型超导材料和低维磁性材料的探索制备、晶体生长和物性研究等。目前，在Nature、Nat. Phys.、Nat. Commun.、Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. X、JACS等期刊上发表研究论文270余篇，至今这些论文被引用超过10000次。

齐彦鹏，上海科技大学物质科学与技术学院助理教授，研究员，博士生导师。2011年博士毕业于中国科学院电工所，随后分别在日本东京工业大学Hideo Hosono组和德国马普所Claudia Felser组从事博士后研究，2018年全职加入上海科技大学。主要从事高压下量子输运研究，特别是压力诱导超导的相关机理的研究。先后荣获中国科学院优秀博士论文，德国洪堡学者等；至今已在国际主流学术期刊上发表包括Nature、Nat. Phys.、Nat. Commun.、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、JACS等在内的研究论文150余篇，被引用5000余次，并多次应邀在国际会议上作邀请报告。

Claudia Felser，教授，德国科学院院士、美国国家科学院外籍院士、美国国家工程院外籍院士，德国马普固体化学物理研究所所长。主要从事新型拓扑量子材料、磁性材料、热电材料、拓扑化学等前沿领域的研究，并在相关领域享有重要的国际影响力与声望。获得了多个重要的国际奖项，包括2019年APS James C. McGroddy新材料奖、2022年德国物理学会与英国皇家物理学会联合颁发的Max Born奖章等。

扫码阅读齐彦鹏教授和雷和畅教授团队的精彩Account文章：

Topological Quantum Materials with Kagome Lattice

Qi Wang, Hechang Lei*, Yanpeng Qi*, and Claudia Felser

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00291

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