非磁性外爾半金屬TaAs家族材料的發現，使得研究具有手徵性的電子態——外爾點，及其導致的新物性、新現象成為可能，受到了廣泛的關注，開闢了拓撲半金屬研究新方向。因而，實現並研究外爾半金屬的另一半，磁性外爾半金屬，就顯得更為急迫和重要。磁性外爾半金屬能夠實現具有最少外爾點的最簡單外爾半金屬，可用於實現具有本徵磁性的量子反常霍爾效應，還提供了通過外磁場來調節外爾點及其相關效應的新調控手段，具有十分廣闊的應用前景。近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的劉恩克【Nature Physics 14, 1125(2018)】和翁紅明【Nat. Commun. 9, 3681 (2018)】分別與合作者一起發現Co3Sn2S2是鐵磁性外爾半金屬，從而完成了外爾半金屬的拼圖【延伸閱讀】Co3Sn2S2具有較高轉變溫度的本徵鐵磁性、Kagome子格的準二維晶格結構，以及與外爾點相關的反常霍爾效應、反常能斯特效應、電化學催化效應等特性。進一步研究其中磁性對拓撲能帶的影響，可為調控拓撲物性、實現多功能量子器件打下基礎。
前期人們主要利用角分辨光電子能譜和掃描隧道譜對Co3Sn2S2進行研究，但這些研究手段主要局限在樣品表面少數幾層，而紅外光譜中的紅外光具有較大的穿透深度，可以探測到體內電子的行為。通過實驗測量和計算模擬光電導譜σ1(ω)，我們可以在較寬的能量和溫度範圍內獲得體內電子的價帶、導帶及躍遷等關鍵信息，對以往的譜學研究是一個重要的補充和拓展。物理所邱祥岡研究員指導的博士生楊潤、廖知裕與翁紅明研究員指導的博士生張坦和周麗琴等合作，在大尺寸高質量Co3Sn2S2單晶樣品中，測量了其從4meV到5 eV溫度依賴的光電導譜σ1(ω)，並利用第一性原理計算了Co原子上不同局域磁矩狀態下的能帶結構和光電導譜。實驗與計算結果一致，解釋了光電導譜中隨溫度變化和不隨溫度變化的信號的微觀能帶起源和機制。隨著溫度降低，Co3Sn2S2進入鐵磁態，逐漸增強的磁化使得增強的交換劈裂不斷平移自旋極化的能帶，導致費米面減小（自由載流子對光電導貢獻減小），外爾點和自旋軌道耦合打開的非平庸能隙逐漸靠近費米能級（溫度依賴的低能光電導峰），從而使得Berry曲率在布裡淵區的積分逐漸增大。由於Berry曲率在布裡淵區的積分正比於反常霍爾電導，因此可以很好地解釋Co3Sn2S2中反常霍爾電導隨溫度降低而逐漸增大的行為。
該研究不僅讓我們理解了磁性外爾半金屬Co3Sn2S2中磁性對拓撲能帶的影響，並且可以指導我們通過調製材料的磁性（在Co位上摻雜更大磁矩的原子）和化學勢 （場效應或離子液體調控），在更高的溫度下獲得更大的反常電/熱輸運性質，更好的磁光效應等。相關工作發表於Phys. Rev. Lett. 124,077403 (2020)。
以上工作得到國家自然科學基金委、科技部、王寬誠教育基金會、北京科學技術委員會和北京自然科學基金會等的支持。
圖一：反射率測量示意圖（左）和測得的溫度依賴的反射率（右）。
圖二：Co3Sn2S2溫度依賴的電阻率(a)，磁化率(b)，光電導(c)以及光電導的譜重(c)（相對於300K歸一化）表明Co3Sn2S2在177K以下進入鐵磁態，並且隨著溫度的降低光電導表現出明顯的溫度依賴。
圖三：（a-c）第一性原理計算得到的Co原子上不同有效磁矩下對應的能帶結構。（d）和（e）分別為順磁態和鐵磁態的費米面。（f）中實線模擬了不同磁性狀態下的光電導譜並與實驗結果（虛線）做對比。
編輯：Kun
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