磁性拓扑材料结合了拓扑物理和磁性材料的特性，近年来成为凝聚态物理领域的研究热点。这类材料的特点是其电子结构中存在拓扑保护的状态，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、拓扑半金属中的Weyl或Dirac费米子等，这使得拓扑磁性材料在自旋电子学、存储器、量子计算、传感器等领域都具有潜在应用。
最近，一种具有高温磁性转变的稀土族笼目磁体RMn6Sn6（R代表稀土元素）引起了广泛关注。这些材料通常由两个磁性亚晶格组成：一个是由Mn离子构成的磁性笼目晶格，另一个是由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结合，孕育了多种非平凡拓扑态，例如铁磁性TbMn6Sn6中的陈数量子相，以及在非共线反铁磁性YMn6Sn6和TmMn6Sn6中表现出显著拓扑霍尔效应的非零自旋手性。含有局域磁矩的R元素与4f局域磁矩和Mn 3d磁矩之间的耦合紧密相关，可作为调控量子磁体中拓扑性质的关键因素。相关的多种磁性态伴随着磁性涨落和挫折，使电子结构和费米拓扑变得复杂。这对于理解非平凡的拓扑特性具有重要意义，但目前缺乏相关方面系统性的研究。
在这项工作中，沈冰副教授、侯玉升副教授及合作者结合量子振荡测量和密度泛函理论（DFT）计算，系统性地研究了HoMn6Sn6的电子结构和费米面的拓扑性质。他们在HoMn6Sn6中观察到的高量子迁移率（0.37 m²∙V⁻¹∙s⁻¹）与高导电非磁性金属相当。实验测量上观察到三个不同频率的量子振荡，且表现出强烈的角度依赖性，表明HoMn6Sn6晶体中存在多个具有不同形状和体积的费米面。实验测量结果与DFT计算一致：DFT计算显示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，如图1（c）。通过实验数据处理得到Landau扇形图显示频率为46 T和785 T的量子振荡的Berry相位存在明显的π位移，相应结果表明其具有非平凡的拓扑性质，这与DFT计算揭示的费米能级（EF）附近的Dirac点是一致的，见图1（d）。HoMn6Sn6中大的Berry曲率也使其具有大的反常霍尔电导（AHC）。这项研究表明，HoMn6Sn6是一种室温亚铁磁体，非常适合用于探索非平凡拓扑态及其性质，具有巨大的自旋电子学应用潜力。
▲图1
（a）根据Lifshitz−Kosevich公式拟合不同SdH振荡模式对应的有效载流子质量。虚线表示拟合曲线，散点图表示数据。
（b）F振荡模式的丁格尔图。虚线表示拟合曲线，散点图表示数据。
（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费米面的示意图。
（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）和四个范尔霍夫奇点（VHS1、VHS2、VHS3和VHS4）由黑色箭头指示。
研究成果于2024年11月29日以“Unveiling the Nontrivial Electronic Structures and Fermi Topology of High-Temperature Kagome Ferrimagnet HoMn6Sn6”为题发表在国际知名期刊《Nano Letters》上。
中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室沈冰副教授、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进行了数据分析与论文撰写，硕士研究生吴德桐参与了实验工作。上述工作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、广东省磁电物性分析与器件重点实验室的大力支持。
