近日，上海科技大学物质科学与技术学院拓扑物理实验室柳仲楷课题组联合德国马普固体化学物理研究所、美国罗格斯大学、中国科学院物理所等科研团队，通过创新性的晶体结构设计，成功合成了交织磁性层与kagome 电荷层的新型金属化合物 TbTi₃Bi₄，首次在该体系中观察到椭圆螺旋磁序与自旋密度波（SDW）共存的电荷-磁有序态，并揭示了其带来的高达105Ω-1 cm-1的巨大反常霍尔电导。这一发现为突破kagome体系中长期存在的几何组挫限制、设计可调节磁性与电子结构的量子材料提供了全新思路。相关成果以“Interwoven magnetic kagome metal overcomes geometric frustration”为题发表于《自然-材料》（Nature Materials）。
传统磁性kagome晶格由于共享顶角的结构，磁原子间的相互竞争会造成“几何组挫”效应，对长程磁有序构型形成了极大的限制。本工作提出一种创新的结构设计策略：将磁性稀土Tb原子链与非磁性Ti-Bi kagome层相互交织，从而在空间上分离巨大局域磁矩与传导电子。该“交织”结构既保留了kagome晶格独特的拓扑能带和高迁移率电子，又避免了磁性kagome晶格的磁构型限制，从而实现了对磁序和电子结构的独立调控和协同作用(图1)。
图1. 交织磁性 kagome金属TbTi3Bi4新奇物性示意。
研究揭示了新型磁性kagome材料TbTi₃Bi₄的复杂磁结构和磁电强耦合行为：中子衍射结果显示，该体系在20.4K出现具有大局域磁矩(10.7ub/Tb)的椭圆螺旋磁序（图2a）；SP-STM实验证实了材料中存在与磁序同周期的自旋密度波，表明局域磁矩与传导电子之间形成强烈耦合（图2b）；ARPES测量能带出现被磁序影响的重构及约90meV的巨大杂化能隙，远超巡游SDW图像预期，显示出电子—局域磁矩强耦合导致的能带重构效应（图2c）。
进一步理论分析表明，TbTi₃Bi₄中的大局域磁矩与传导电子之间的Kondo型耦合形成有效的RKKY交换作用，从而驱动SDW序及巨大杂化能隙形成。该耦合从微观上解释了材料中观测到的巨大反常霍尔电导与高达31.1%的霍尔角（图2d）。研究指出，这种巨型霍尔效应并非源自Berry曲率机制，而是磁性层对电荷层斜散射的结果。
图2. TbTi3Bi4中复杂磁结构和磁电强耦合行为测量。a. 中子衍射结果证实其具有波矢为Q=(0.36, 0.29,0)的椭圆螺旋磁序。b. 自旋分辨扫描隧道显微镜结果证实其具有波矢为q=(1/3, 0, 0)的自旋密度波。c. 角分辨光电子能谱结果证实其在磁有序温度(TN)之下具有波矢为q=(1/3, 0, 0)的能带重构及大杂化能隙。d. 磁输运结果证实其相较于其他金属及kagome材料，具有巨大反常霍尔电导。
该研究提出并验证了一种突破kagome几何组挫限制的新范式——通过空间交织磁性与电荷层实现电子与磁序的单独设计与协同耦合。这一策略不仅为kagome磁性体系中获得新奇磁电物态提供了可能，也为未来可编程量子材料、自旋电子学器件的设计提供了指导思路。
本工作由上海科技大学柳仲楷副教授、德国马普固体化学物理研究所Claudia Felser 院士、美国罗格斯大学吴伟达教授、中国科学院物理所杨义峰研究员共同领导。马普所程二建博士为第一作者，共同一作包括物质学院王开朴（2022级博士研究生）、李宗锴（2025级博士研究生）以及罗格斯大学陈文清、美国橡树岭国家实验室郝一清博士、以色列魏茨曼研究所谭恒心博士。
论文标题：Interwoven magnetic kagome metal overcomes geometric frustration
沪公网安备 31011502006855号