在磁性材料中，磁有序与电子能带结构之间的关联产生了丰富的物态或物性，如量子反常霍尔态、拓扑相变、金属-绝缘体相变、反常能斯特效应等，因此成为凝聚态物理研究的一个重点方向。上海科技大学物质科学与技术学院拓扑物理实验室郭艳峰课题组近几年致力于新型磁性拓扑材料探索，取得了系列高水平研究成果。近期，郭艳峰课题组与合作者在相关方向又取得一系列重要进展，研究结果分别发表于《科学通报》（Science Bulletin）及《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
笼目磁性拓扑材料EuTi3Bi4新颖拓扑表面态
笼目晶格材料的电子结构同时具有平带、狄拉克点和范霍夫奇点这三种特征，此外还具有很强的几何阻挫，因此被视为研究强关联电子、非平庸拓扑以及寻找量子自旋液体的极佳平台。之前发现的笼目晶格体系AV3Sb5（A = K, Rb, Cs）表现出了超导、电荷密度波、非平庸拓扑以及电子向列相等丰富的物理性质，成为近期凝聚态物理领域一个研究热点。相比AV3Sb5家族，新型笼目晶格体系RETi3Bi4（RE = Sm, Eu, Gd）具有长程磁序，提供了研究磁性与这些新奇物性之间关联的契机。上海科技大学拓扑物理实验室郭艳峰课题组与中国科学技术大学国家同步辐射实验室沈大伟课题组、南京大学万贤纲课题组紧密合作，对笼目磁性拓扑材料EuTi3Bi4开展了深入研究。磁性测量及理论计算表明，该体系具有面外铁磁、层间反铁磁的自旋排列。利用高分辨角分辨光电子能谱揭示了时间反演对称与半平移联合对称性有效保护了连接不同范霍夫奇点的拓扑非平庸表面态在磁有序温度（10.5 K）上下稳定存在，与表现出量子反常霍尔效应的反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4非常类似。此外，其拓扑体带与表面能带皆靠近费米能级，将对输运性质产生影响，有望表现出丰富的拓扑物性。
图1、EuTi3Bi4的电子结构。PM：顺磁；AFM：反铁磁；SS：表面态。
交错磁体CrSb中巨大的能带劈裂
“交错磁性”是近期引起广泛关注的一种新型磁性，被视为不属于常规铁磁性或反铁磁性的第三种磁性。它具有相同磁矩共线排列，在倒易空间中电子能带内表现出交错的自旋极化模式。在交错磁体中，尽管反铁磁体的磁化强度为零，但由于铁磁体的时间反演对称性破缺，晶体旋转对称性连接的相反自旋亚晶格的存在导致在没有自旋-轨道耦合的情况下，体相布里渊区中具有高对称线上节点的能带分裂。不同于铁磁材料的能带分裂在动量(k)空间中是各向同性的，交错磁体的能带分裂为各向异性，主要是因为能带分裂的符号必须在正和负k之间反转，以满足净磁化为零的要求。
图2、交错磁体CrSb电子结构中自旋在动量空间中的分布及劈裂特征。
CrSb是重要的交错磁体候选材料，其奈尔温度为703K，是一个自旋结构为平面外A型反铁磁构型的金属。上海科技大学拓扑物理实验室郭艳峰教授课题组与中国科学技术大学沈大伟教授课题组及其他合作者开展合作，基于同步辐射的高分辨率角分辨光电子能谱以及第一性原理计算，研究了CrSb的三维电子结构。对CrSb的（0001）和（100）解离面研究揭示了反铁磁诱导的能带劈裂的细节，并定量分析自旋劈裂的角度和光子能量依赖性，确定了其独特的体g波对称性。此外，在费米能级附近观察到的自旋劈裂高达0.93eV，是目前所有已证实的此类材料中最显著的。该实验结果为 CrSb的交错磁性能带结构提供了有力的证据。由于CrSb的高奈尔温度，更大的有效磁矩和更明显的自旋劈裂各向异性，兼具反铁磁材料的超快磁响应以及铁磁材料的高效可写入和读取能力，因此将具有更高的自旋力矩电导率和明显的反常霍尔效应，是自旋电子应用的理想材料。