近年来，北京理工大学物理学院姚裕贵教授研究团队与合作者在新型磁性拓扑量子态及其物性研究方面取得了一系列重要进展。例如，首次提出了拓扑磁光效应及其量子化【Nat. Commun., 11, 118 (2020)】；预言了一种新的拓扑量子物态：自旋零带隙节线半金属【Phys. Rev. Lett., 124, 016402(2020)】；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【Phys. Rev. Lett., 123, 116401 (2019)】；提出了磁化方向调控节线和外尔相的理论【Phys. Rev. B, 98, 121103(R) (2018)】以及复合节-点线外尔半金属概念【J. Phys. Chem. Lett. 10(10), 2508 (2019)】等等。此外，他们进一步探索了高品质的磁性拓扑候选材料，例如预测了自旋零带隙拓扑节线和节面半金属材料CaFeO₃【Phys. Rev. B, 103, 195115 (2021)，Editor’s Suggestion】、二维磁谷半导体VSi₂N₄系列材料并从中发现谷依赖的贝里相位信号相反的调控规律【npj Comput. Mater., (2021), 7:160】、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。
最近，北京理工大学姚裕贵教授研究团队在新型磁性拓扑准半金属研究方面又取得进一步的研究进展。基于有效模型分析和第一性原理方法，他们在“软铁磁”材料LiV₂F₆中预言了最简单的外尔节线单环形式，即外尔单环准半金属。相关研究成果于近日发表在Nano Letters 21, 8749-8755 (2021)。
目前，已发现或预言的拓扑准金属（semi-metal）的能带节点或节线大都远离费米能级，导致本该具有的奇特性能在实验上难以观测，因而搜寻能带节点或节线恰好在费米能级处的理想磁性拓扑准金属仍是当前亟需解决的问题。另一方面，自旋极化率为100%的磁性半金属(half-metal)在自旋电子学领域具有广泛的应用。结合准金属和半金属的各自优势，发现能带交叉恰好处于费米能级处且具有100%自旋极化的磁性拓扑准半金属(semi-half-metal)成为解决问题的关键。拓扑序与磁有序相互作用，能衍生出新奇的物理效应（如量子反常霍尔效应、反常能斯特效应），将在未来信息技术领域中产生重大的应用价值。因此，探索高性能磁性拓扑准半金属及其物性成为凝聚态领域关注的焦点。

图1: 节线准半金属三维能带示意图。红色代表自旋向上的通道，蓝色代表自旋向下的通道；黄色代表节线态；绿色表示垂直于z轴的镜面。
姚等人首先对铁磁体系的节线态进行了分类：一类是由相反自旋通道形成的节线，另一类是由相同自旋通道构成的节线（图1）。严格而言，前者为铁磁金属，后者方为铁磁半金属。值得注意的是，若后者在费米能级处形成节线态，那么该类型称之为准半金属。其节线费米子具有100%的自旋极化率，预计在自旋电子学领域具有非常重要的应用前景。如图2所示，基于有效模型分析和第一性原理方法，他们预言了“软铁磁”材料LiV₂F₆具有超干净的能带色散、最简单的节线形式、超平的鼓膜表面态，极有可能给关联自旋物理提供一个理想的研究平台。该工作一方面通过磁晶各向异性能计算证明了铁磁材料LiV₂F₆沿[001]方向能量最低；另一方面考虑到拓扑节线单环受镜面(M_z)对称性保护。这两种情况同时存在，即使在考虑自旋轨道耦合的情况下，节线单环仍存在，是真正意义上的外尔节线单环准半金属。由于“软铁磁”LiV₂F₆具有较低的磁各向异性能，通过外场可较容易地改变磁矩的取向，能够实现面内磁化的反常霍尔效应。该工作将为进一步的实验证实和应用奠定理论基础，为实现高效低耗、高集成度的微型化新型拓扑自旋电子学器件和拓扑量子器件等提供潜在可能。

图2: (a)为LiV₂F₆的晶体结构；图(b)为LiV₂F₆的自旋极化能带图和态密度图；图(c)为位于 k_z ="0的三维节线轮廓图；图(d)为LiV2F₆的[001]面的表面色散和态密度；图(e)为在极角 θ = 0°、30°、60°和90°时，本征反常霍尔电导σ_zx分布图。
该工作得到国家自然科学基金委、科技部、中国博士后科学基金会等单位的支持。北京理工大学张闰午（博士后）、周小东（博士生）为该工作的共同第一作者，张泽英（2019届博士毕业生，现供职于北京化工大学）、冯万祥教授、姚裕贵教授为共同通讯。相关结果发表于国际顶级期刊Nano Letters（IF: 11.189）：Run-Wu Zhang,? Xiaodong Zhou,? Zeying Zhang*, Da-Shuai Ma, Zhi-Ming Yu, Wanxiang Feng*, and Yugui Yao*; “Weyl Monoloop Semi-half-metal and Tunable Anomalous Hall Effect”, Nano Letters, 21, 8749-8755 (2021). (?为共同一作；*为共同通讯作者。)
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02968