中国科大在笼目晶格材料平带物性研究中取得新进展

近日，中科大合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中科院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授研究组与吴涛教授研究组合作，在笼目晶格材料平带物性研究方面取得重要进展。研究团队在顺磁性笼目晶格材料CoSn中观测到了费米能级附近的平带电子结构并揭示了由平带电子导致的输运和磁性的反常各向异性。该研究成果以“Flat-Band-Induced Anomalous Anisotropic Charge Transport and Orbital Magnetism in Kagome Metal CoSn”为题于2月28日发表在《Physical Review Letters》杂志上。

固体材料的电磁特性很大程度上取决于其电子能带结构。相对于常见的抛物线型色散关系的电子能带，处于两个极端的线性色散能带以及无色散平带是产生新物态及新效应的重要平台。如线性色散能带往往导致新奇的相对论效应和拓扑物性，而平带中电子动能淬灭，电子间库仑相互作用占据主导，是研究强关联效应的理想候选。笼目晶格是一类由顶点共享的三角格子组成的二维晶格结构，理论研究表明这样一个特殊晶格体系会同时存在电子有效质量为零的线性色散能带和有效质量无穷大的平带。曾长淦教授研究组在国际上较早开展了该体系材料特殊电子结构和物性的研究工作。如在实验上率先证实了铁磁笼目材料 Fe3Sn2中存在天然无色散的平带电子结构，并进一步揭示了其高温铁磁性源于平带电子关联（Phys. Rev. Lett. 121, 096401 (2018)，封面文章，编辑推荐），以及在反铁磁笼目材料FeSn中确证了此前理论预言的反铁磁狄拉克态这一新型拓扑物态（Phys. Rev. B 102, 155103 (2020)，编辑推荐）。

在以上研究基础上，研究团队结合多尺度实验表征手段及理论分析，对顺磁笼目材料CoSn中的平带及平带物性开展了系统研究。结合第一性原理计算和角分辨光电子能谱，研究人员首先证实CoSn中存在费米能级附近的平带电子结构，且占据了较大动量空间范围。电子输运测试发现当电流沿二维笼目晶格面内的电阻率可达面外方向的60倍，这与传统的（准）二维材料明显相反。此外宏观磁性测量表明磁场垂直于笼目晶格时的材料磁化率要比沿面内方向小得多，进一步的核磁共振实验表明其源于轨道磁性的各向异性。结合理论分析，他们发现这些电磁特性的反常各向异性均可归因于平带电子特性：平带电子波函数局域化及其导致的较大有效质量产生了较大的面内电阻率；而局域化的平带电子在垂直磁场下形成的环形电流，会贡献额外的轨道抗磁。该工作成功揭示了笼目晶格材料中由平带所导致的宏观电子学行为，为实验进一步探索平带诱导的关联电子物性提供了新思路。相较于目前引起广泛关注的以魔角双层石墨烯为代表的人工结构，CoSn等天然平带材料为探索平带物理提供了另一类材料候选。

图：（a, b）实验观测和理论计算的CoSn中费米能级附近的平带。（c）笼目晶格中平带电子在垂直磁场下产生的环形电流及相应的轨道抗磁性

物理系博士研究生黄浩为论文第一作者，曾长淦教授、吴涛教授和李林副研究员为论文通讯作者。本工作是与中科大合肥微尺度物质科学国家研究中心王征飞教授、国家同步辐射实验室孙喆教授以及中科院物理所翁红明研究员等课题组合作完成，并得到了来自国家自然科学基金委、中科院以及安徽省的资助。（来源：中科大）