沈冰副教授、侯玉升副教授在高温笼目亚铁磁HoMn₆Sn₆研究中取得重要进展

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磁性拓扑材料，融合拓扑物理与磁性材料特性，已成为凝聚态物理研究前沿。这类材料的电子结构中存在拓扑保护态，例如拓扑绝缘体中的表面态、拓扑超导体中的马约拉纳费米子以及拓扑半金属中的Weyl或Dirac费米子，使其在自旋电子学、存储器、量子计算和传感器等领域展现出巨大应用潜力。

近期，一种具有高温磁性转变的稀土笼目磁体RMn6Sn6（R代表稀土元素）引发广泛关注。该材料通常由两个磁性亚晶格构成：Mn离子构成的磁性笼目晶格和稀土离子构成的磁性晶格。多种磁性相互作用与独特的晶体结构共同作用，产生了多种非平凡拓扑态，例如TbMn6Sn6中的陈数量子相，以及YMn6Sn6和TmMn6Sn6中显著的拓扑霍尔效应。R元素的局域磁矩与其4f局域磁矩和Mn 3d磁矩间的耦合，是调控拓扑性质的关键。然而，复杂的磁性态、磁性涨落和磁性挫败使得电子结构和费米拓扑变得复杂，对理解其非平凡拓扑特性造成挑战。

沈冰副教授、侯玉升副教授及其合作者，通过量子振荡测量和密度泛函理论（DFT）计算，对HoMn6Sn6的电子结构和费米拓扑进行了系统研究。他们观察到HoMn6Sn6具有高量子迁移率（0.37 m²∙V⁻¹∙s⁻¹），与高导电非磁性金属相当。实验中观察到的三个不同频率的量子振荡及其角度依赖性，表明HoMn6Sn6存在多个形状和体积不同的费米面。DFT计算结果与实验一致，显示HoMn6Sn6具有复杂的费米拓扑结构，包括三个三维空穴口袋和两个二维电子口袋（见图1（c））。Landau扇形图分析显示，频率为46 T和785 T的量子振荡的Berry相位存在明显的π位移，证实了其非平凡拓扑性质，这与DFT计算揭示的费米能级（EF）附近的Dirac点相符（见图1（d））。HoMn6Sn6较大的Berry曲率也使其具有较大的反常霍尔电导（AHC）。研究表明，HoMn6Sn6是一种室温亚铁磁体，具有探索非平凡拓扑态及其性质的潜力，并在自旋电子学应用方面展现出巨大前景。

▲图1

(a) 基于Lifshitz−Kosevich公式拟合不同SdH振荡模式的有效载流子质量。(b) F振荡模式的丁格尔图。(c) 实验测量（散点）和DFT计算（虚线）的FFT频率的角度依赖性。插图显示了旋转磁场和DFT计算的3D费米面示意图。(d) DFT计算的能带结构（上图）和Berry曲率（下图）。平带由橙色突出显示，两个狄拉克点（DP1和DP2）和四个范霍夫奇点（VHS1、VHS2、VHS3和VHS4）由黑色箭头指示。

该研究成果已于2024年11月29日发表在《Nano Letters》上，题为“Unveiling the Nontrivial Electronic Structures and Fermi Topology of High-Temperature Kagome Ferrimagnet HoMn6Sn6”。中山大学物理学院沈冰副教授、侯玉升副教授和国家脉冲强磁场科学中心的左华坤工程师为论文通讯作者；博士研究生王彬与硕士研究生黄湘烦为共同第一作者；中山大学物理学院王猛教授参与数据分析与论文撰写；硕士研究生吴德桐参与实验工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广州基础与应用基础研究基金以及广东省磁电物性分析与器件重点实验室的支持。

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