磁性拓撲半金屬材料研究取得進展

近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員張昌錦、皮靂課題組合作，在磁性拓撲半金屬材料研究方面取得新進展。研究人員通過強磁場下的磁性、輸運測量以及第一性原理計算，對NdSb、DySb等鑭系金屬銻化物磁性體系進行了深入研究，發現了磁性拓撲半金屬態。

拓撲半金屬是一類新型的拓撲材料，具有類似於基本粒子的低能激發態，在科學認知與實際應用方面具有重大意義。其中，狄拉克半金屬的狄拉克點兼具晶體對稱性與時間反演對稱性，被稱為「三維石墨烯」。如果晶體對稱性或時間反演對稱性破缺，狄拉克點變為一對外爾點，形成外爾半金屬。晶體對稱性破缺的外爾半金屬已經在TaAs、WTe2等體系中發現，而時間反演對稱性破缺的外爾半金屬則長期未被發現。主要原因在於角分辨光電子能譜在研究磁性材料時有很大局限，不能提供磁有序態下的明確電子結構。理論上預測可能存在磁性拓撲半金屬態的體系包括鑭系金屬銻化物、鉍化物，以及GdPtBi、Mn3Sn等。

在該工作中，研究人員利用強磁場下的磁性與輸運測量，研究了NdSb、DySb等材料的磁結構轉變，分析了不同磁結構下電子輸運的基本信息與載流子特性，結合第一性原理能帶計算結果，發現NdSb的反鐵磁態是狄拉克半金屬態，DySb的鐵磁態是外爾半金屬態。尤其是，在NdSb上觀測到的手性反常導致的負磁阻現象，為拓撲半金屬態的存在提供了堅實證據。而NdSb、DySb也以其可調控的磁結構為研究磁性與拓撲的關聯提供了理想的載體。

該系列工作的輸運測量是在穩態強磁場實驗裝置的一號水冷磁體WM1與混合磁體上進行的，磁性測量是在二號水冷磁體WM2的磁性測量系統（VSM）上進行的。

該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等的支持，主要完成人為研究生王永建、梁丹丹，相關研究發表在Physical Review B、APL Materials上。

NdSb的高場磁化率、磁阻測量（上圖）與負磁阻測量（下圖）（上左圖WM2提供最高場25T，上右圖WM1提供最高場38T）

DySb的高場磁阻測量與能帶計算結果（上左混合磁體提供最高場38.7T）

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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