中國科大在準二維kagome晶格新奇電子特性研究方面取得重要進展
2020-12-01 中國科大..近期，合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心與中科院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授研究組及其合作者在kagome晶格新奇物性研究方面取得重要進展，以層狀材料Fe3Sn2為平臺首次在kagome晶格體系中實驗觀察到近乎無色散的平帶電子結構，並結合理論闡明了其高溫鐵磁序的機制。相關結果以封面文章的形式近日發表在權威物理期刊《Phys. Rev. Lett.》上，並被刊物編輯部評選為Editors』 Suggestion。物理系博士生林志勇為文章第一作者。
Phys. Rev. Lett. 第121卷第9期封面
根據固體電子能帶理論，通過設計固體中原子的排列可以調控電子的行為，進而實現各種非平庸的能帶結構。一個廣受關注的例子是通過構造蜂巢晶格可以實現具有線性色散關係的狄拉克能帶。而與狄拉克能帶形成鮮明對照的是平帶，即高簡併無色散的電子態。狄拉克能帶中電子沒有質量，而平帶中的電子具有很重的質量。在理想平帶中，電子動能淬滅，電子間的庫侖相互作用佔主導地位。由於其特殊性，理論預言平帶可能導致各種激動人心的物理效應，包括鐵磁性、高溫分數量子霍爾效應、Wigner晶體、玻色-愛因斯坦凝聚、以及高溫超導等。原則上平帶可以通過構造一些特殊晶格使電子布洛赫波局域相消幹涉來實現。然而迄今為止，對實際材料平帶的實驗驗證及平帶物理效應的展示仍然是一個巨大的挑戰。
曾長淦教授研究團隊與來自韓國漢陽大學的中心訪問學者Jun-Hyung Cho教授、國家同步輻射實驗室孫喆教授等合作，結合掃描隧道顯微術、角分辨光電子能譜、第一性原理計算等手段，證實準二維kagome化合物Fe3Sn2確實存在平帶電子結構。kagome晶格由交錯排列的三角形組成，而每個頂點連接了兩個相鄰六角形，如圖所示。該研究團隊對Fe3Sn2的研究表明，在Fe原子所形成的kagome晶格中，電子布洛赫波函數的相消幹涉能夠有效地將電子束縛在kagome晶格的六角形中，從而導致幾近無色散的平帶。
另一方面，該研究團隊進一步證實了Fe3Sn2具有高溫鐵磁序，並歸因於電子關聯和kagome晶格的協同作用：kagome平帶導致的高態密度以及較大的在位庫侖能使得鐵磁序的Stoner判據得以滿足。從實空間看，電子間較強的在位庫倫相互作用使得束縛在六角形中的電子發生自旋極化，而六角形分子內交換作用產生的局域極化自旋磁矩通過共享Fe原子的六角形網格耦合起來，從而導致長程鐵磁序。
Kagome晶格上電子態相消幹涉導致局域化和自旋耦合導致鐵磁性的示意圖（上圖）
角分辨光電子能譜實驗觀測下的平帶（下圖）
該研究不僅在實驗上第一次展示了實際kagome晶格確實可以存在平帶電子結構，而且為探索晶格驅動的長程鐵磁序提供了新思路。未來對平帶電子結構的進一步調控，比如調節費米面位置，將有可能實現其它在拓撲量子計算方面有應用前景的新奇量子態。這一研究成果發表在[Phys. Rev. Lett. 121, 096401 (2018)]，曾長淦教授和Jun-Hyung Cho教授為共同通訊作者。上述研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部以及量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。
論文連結：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.121.096401
（合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心、量子信息與量子科技前沿創新中心、科研部）
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