（文章來源：博科園）

結合了拓撲、電子性質和量子磁性的材料，對它們所展示的量子多體物理以及在電子元件中可能的應用都非常令人激動。物理學家現在已經為一種這樣的材料，建立了連接磁性和電子能帶拓撲的微觀機制。狄拉克物質是一類有趣的材料，具有有趣的性質：這些材料中的電子表現得就像它們沒有質量一樣。狄拉克材料最突出的物質是石墨烯，但在過去的15年里也發現了其他物質。

每一個都是探索奇異電子行為的豐富游樂場，其中一些可以為電子產品提供新的元件。然而，電子帶的拓撲，以明確的方式連接到材料磁性的例子很少。一種已經觀察到拓撲電子態和磁性之間相互作用的材料是CaMnBi2，但連接兩者的機制尚不清楚。蘇黎世理工大學固體物理實驗室Leonardo Degiorgi教授光譜組的博士后Run Yang和博士生Matteo Corasaniti與美國布魯克海文國家實驗室和中國科學院的同事共同在《物理評論快報》上發表了新研究。

這一項全面的研究提供了明確證據，證明對磁矩的輕微推動，即所謂的自旋傾斜，會引發電子能帶結構的重大變化。CaMnBi2和相關的化合物SrMnBi2顯示出量子磁性，即錳離子在室溫左右和更低溫度下是反鐵磁性的，同時承載著狄拉克電子。科學家懷疑這兩種性質之間存在相互作用，在~50K時，這些材料的導電性質出現了意想不到的“凹凸”。但到目前為止，人們對這種反常現象的確切性質知之甚少。

在研究光學性質的早期研究中，Corasaniti、Yang和同事已經建立了與材料電子性質的聯系，他們利用了這樣一個事實：即通過用鈉取代一些鈣原子，傳輸性質中的凸起狀異常可以在溫度上發生變化。為了確定觀察到行為的微觀來源，用扭矩磁力測量法研究了不同鈉摻雜的樣品。在這項技術中，當磁性樣品暴露在合適的強磁場中時，就像指南針與地球磁場對準一樣，測量磁性樣品上的扭矩，這種方法使研究小組找到了異常的起源。

在磁轉矩實驗中，研究人員發現，在電子輸運測量中沒有觀察到異常的溫度下，磁行為類似于反鐵磁體。然而，在反常現象顯現的溫度下，出現了鐵磁成分，這可以通過將磁矩投影到與原始反鐵磁秩序的易自旋c軸正交的平面上來解釋，這種現象被稱為自旋傾斜，是由所謂的超級交換機制引起。這兩組實驗（光學和扭矩測量）得到了第一原理計算的支持。

特別地，在計算中考慮了自旋傾斜的情況下，發現了錳和鉍原子之間的一種特殊的雜化，它介導了層間磁耦合，并控制了材料中的電子性質。綜上所述，這項研究建立了磁性與電子能帶結構變化之間的直接聯系，這反映在輸運性質的凸起反常上。這些發現打開了探索CaMnBi2和相關化合物電子性質的大門，以及這些有趣的物質形式中磁性和拓撲態之間的聯系所產生的可能性。
（責任編輯：fqj）