【中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng) 技術(shù)前沿】 近期，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心與中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾長(zhǎng)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(jìn)展，以層狀材料Fe3Sn2為平臺(tái)首次在kagome晶格體系中實(shí)驗(yàn)觀察到近乎無色散的平帶電子結(jié)構(gòu)，并結(jié)合理論闡明了其高溫鐵磁序的機(jī)制。相關(guān)結(jié)果以封面文章的形式近日發(fā)表在權(quán)威物理期刊《Phys.Rev.Lett.》上，并被刊物編輯部評(píng)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(jù)固體電子能帶理論，通過設(shè)計(jì)固體中原子的排列可以調(diào)控電子的行為，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種非平庸的能帶結(jié)構(gòu)。一個(gè)廣受關(guān)注的例子是通過構(gòu)造蜂巢晶格可以實(shí)現(xiàn)具有線性色散關(guān)系的狄拉克能帶。而與狄拉克能帶形成鮮明對(duì)照的是平帶，即高簡(jiǎn)并無色散的電子態(tài)。狄拉克能帶中電子沒有質(zhì)量，而平帶中的電子具有很重的質(zhì)量。在理想平帶中，電子動(dòng)能淬滅，電子間的庫(kù)侖相互作用占主導(dǎo)地位。由于其特殊性，理論預(yù)言平帶可能導(dǎo)致各種激動(dòng)人心的物理效應(yīng)，包括鐵磁性、高溫分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、Wigner晶體、玻色-愛因斯坦凝聚、以及高溫超導(dǎo)等。原則上平帶可以通過構(gòu)造一些特殊晶格使電子布洛赫波局域相消干涉來實(shí)現(xiàn)。然而迄今為止，對(duì)實(shí)際材料平帶的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及平帶物理效應(yīng)的展示仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

曾長(zhǎng)淦教授研究團(tuán)隊(duì)與來自韓國(guó)漢陽大學(xué)的中心訪問學(xué)者Jun-HyungCho教授、國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室孫喆教授等合作，結(jié)合掃描隧道顯微術(shù)、角分辨光電子能譜、第一性原理計(jì)算等手段，證實(shí)準(zhǔn)二維kagome化合物Fe3Sn2確實(shí)存在平帶電子結(jié)構(gòu)。kagome晶格由交錯(cuò)排列的三角形組成，而每個(gè)頂點(diǎn)連接了兩個(gè)相鄰六角形，如圖所示。該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)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(shù)的相消干涉能夠有效地將電子束縛在kagome晶格的六角形中，從而導(dǎo)致幾近無色散的平帶。

另一方面，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)了Fe3Sn2具有高溫鐵磁序，并歸因于電子關(guān)聯(lián)和kagome晶格的協(xié)同作用：kagome平帶導(dǎo)致的高態(tài)密度以及較大的在位庫(kù)侖能使得鐵磁序的Stoner判據(jù)得以滿足。從實(shí)空間看，電子間較強(qiáng)的在位庫(kù)倫相互作用使得束縛在六角形中的電子發(fā)生自旋極化，而六角形分子內(nèi)交換作用產(chǎn)生的局域極化自旋磁矩通過共享Fe原子的六角形網(wǎng)格耦合起來，從而導(dǎo)致長(zhǎng)程鐵磁序。

Kagome晶格上電子態(tài)相消干涉導(dǎo)致局域化和自旋耦合導(dǎo)致鐵磁性的示意圖（上圖）

角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)觀測(cè)下的平帶（下圖）

該研究不僅在實(shí)驗(yàn)上第一次展示了實(shí)際kagome晶格確實(shí)可以存在平帶電子結(jié)構(gòu)，而且為探索晶格驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)程鐵磁序提供了新思路。未來對(duì)平帶電子結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步調(diào)控，比如調(diào)節(jié)費(fèi)米面位置，將有可能實(shí)現(xiàn)其它在拓?fù)淞孔佑?jì)算方面有應(yīng)用前景的新奇量子態(tài)。這一研究成果發(fā)表在[Phys.Rev.Lett.121,096401(2018)]，曾長(zhǎng)淦教授和Jun-HyungCho教授為共同通訊作者。上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部以及量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.121.096401

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心、量子信息與量子科技前沿創(chuàng)新中心、科研部）中國(guó)科大