日前，北理工姚裕贵教授课题组（博士生张闰午、姚裕贵教授）同中科院物理所冯宝杰研究员、中科院宁波材料技术与工程研究所冯娅博士等合作者，在二维拓扑量子材料研究方面取得重要进展，首次在铁磁单原子层GdAg2材料中观测到二维外尔“节线”半金属。
近年来，新兴前沿领域如物质的拓扑量子态和二维量子材料在基础科学研究和量子器件应用方面得到了广泛的关注和发展。在物质拓扑量子态研究方面，“拓扑半金属”作为一类新型拓扑电子态，其具有特殊拓扑的表面态（费米弧、鼓膜表面态）、奇异的磁输运性质（如负磁阻、巨磁电阻）以及极高的载流子迁移率等优点；在二维量子材料研究方面，少数层具有长程铁磁序的半导体材料（例如Cr2Ge2Te6、CrI3和VSe2）在自旋电子学领域得到深入研究。然而，二维层状本征铁磁半导体材料至今发现甚少，而基于单原子层铁磁材料的拓扑物性研究更是匮乏。若在单原子层铁磁材料中实现拓扑态（例如拓扑半金属），将有望解决制约当前半导体集成电路中因器件小型化和密度过大而造成发热的发展瓶颈问题。
在拓扑半金属研究方面，北理工物理学院姚裕贵教授研究团队和合作者近年来相继取得了一系列重要进展，为该工作的深入研究奠定了坚实的基础。例如，预测了第二类外尔半金属中的朗道能级坍塌现象【Phys. Rev. Lett., 117, 077202 (2016)】；提出了弱拓扑绝缘体与强拓扑绝缘体转变时存在复合外尔半金属相的概念 [Phys. Rev. Lett., 116, 066801(2016)]、二维 Cu2Si体系是狄拉克“节线”半金属并被实验首次证实【Nat. Commun., 8, 1007 (2017)】；第二类节线半金属理论【Phys. Rev. B 96, 081106(R) (2017)】、磁化方向调控节线和外尔相的理论【Phys. Rev. B, 98, 121103(R) (2018)】、镜面对称性保护下多重节线半金属理论【Phys. Rev. B 98, 201104(R) (2018)】、复合节-点线外尔半金属概念【J. Phys. Chem. Lett. 10(10), 2508 (2019)】、等等。此外他们进一步探索了上述拓扑半金属理论或概念的材料实现，预测了理想的沙漏型节网半金属-Ag2BiO3【Phys. Rev. B 98,075146 (2018)】、节线半金属- α-PbO2和β-PbO2【Phys. Rev. B 98, 035144 (2018)】、自旋极化节线半金属- 二维碱金属硫族化合物【J. Phys. Chem. Lett. 10(11), 3101 (2019)】等。这些研究工作引起了国内外广泛关注。
图1 单原子层GdAg2的第一性原理计算结果
图2 Ag(111)上单层GdAg2电子结构的ARPES测量
在最近的工作中，姚裕贵研究组与物理所冯宝杰研究员等人合作，通过理论分析、计算以及角分辨光电子谱观测相结合的方法，证实了单原子层铁磁材料GdAg2 是一种二维外尔“节线”半金属。如图1所示，单原子层铁磁材料GdAg2中的外尔“节线”态具有自旋极化的特点和镜面对称性保护，具有很强的抗外部干扰能力。基于分子动力学模拟表明，单原子层GdAg2具有在其它基底上外延生长的可能，甚至存在从基底上剥离的潜力。此外，计算结果还表明，如图1所示，通过控制磁化方向可以调控外尔“节线”态的开/关状态。实验上（如图2所示），当单层GdAg2生长在Ag单质(111)表面时，外尔“节线”态处于费米能级附近。通过角分辨光电子谱测量, 他们发现沿着不同的方向上都有能隙闭合点，即证明了外尔“节线”半金属的存在。由于样品GdAg2的厚度已达到了原子极限，上述结果将为实现高效低耗、高集成度的微型化新型拓扑量子器件提供可能。 该工作得到国家自然科学基金委、科技部等单位的支持。研究团队特别感谢四川师范大学付波涛博士，中科院宁波材料技术与工程研究所何少龙研究员，中科院物理所陈岚研究员、吴克辉研究员，广岛同步辐射中心Koji Miyamoto、Kenya Shimada、Taichi Okuda, 日本广岛大学Shilong Wu等人的有力支持和配合。
该工作发表于物理学最顶级的权威期刊《Physical Review Letters》（IF="9.227）：Baojie" Feng,?* Run-Wu Zhang,? Ya Feng,? Botao Fu, Shilong Wu, Koji Miyamoto, Shaolong He, Lan Chen, Kehui Wu, Kenya Shimada, Taichi Okuda, and Yugui Yao*; “Discovery of Weyl Nodal Lines in a Single-Layer Ferromagnet”, Physical Review Letters, 123, 116401 (2019). (?为共同一作；*为通讯作者。)
文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.116401
