科研进展|上科大郭艳峰、柳仲楷联合团队在磁性拓扑新材料方向取得重要进展

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。