中科大Phys. Rev. Lett.：準二維Fe3Sn2 Kagome晶格的新奇電子特性

【引言】

在電子能帶理論中，固體的能帶結構是通過求解晶格周期電位中電子的單電子薛定諤方程確定。通過適當設計晶格結構可以獲得各種非凡的能帶結構。一個廣受關注的例子是通過構造蜂巢晶格可以實現具有線性色散關系的狄拉克能帶。而與狄拉克能帶形成鮮明對照的是平帶。狄拉克能帶中電子沒有質量，而平帶中的電子具有很重的質量。理論預言平帶可能導致各種激動人心的物理效應，包括鐵磁性、高溫分數量子霍爾效應、Wigner晶體、玻色-愛因斯坦凝聚、以及高溫超導等。原則上平帶可以通過構造一些特殊晶格使電子布洛赫波局域相消干涉來實現。然而迄今為止，對實際材料平帶的實驗驗證及平帶物理效應的展示仍然是一個巨大的挑戰。在本文中，作者獲得了真實的分層2D kagome Fe₃Sn₂中平帶和鐵磁性。

【成果簡介】

近日，曾長淦教授研究團隊與韓國漢陽大學的中心訪問學者Jun-Hyung Cho教授、國家同步輻射實驗室孫喆教授等合作，結合掃描隧道顯微術、角分辨光電子能譜、第一性原理計算等手段，證實準二維kagome化合物Fe₃Sn₂確實存在平帶電子結構。通過理論計算和模型證實，影響帶平坦度的主要原因是kagome晶格內Bloch波函數的局部破壞性。在kagome晶格中的六邊形單元的獨特網格中，分子內交換相互作用形成的局部自旋矩的鐵磁耦合。這項研究為探索晶格驅動的長程鐵磁序提供了新思路。相關成果以“Flatbands and Emergent Ferromagnetic Ordering in Fe₃Sn₂ Kagome Lattices”為題發表在Physical Review Letters上，并被刊物編輯部評選為Editors’Suggestion。博士生林志勇為文章第一作者。

【圖文導讀】

圖 1 塊體Fe₃Sn₂及其表面結構表征

（a）kagome晶格中六邊形上波函數自定位的示意圖；

（b，c）塊體Fe₃Sn₂優化結構的頂視圖和透視圖；

（d）三個不同原子分辨率層的橫截面TEM圖像；

（e）兩個不同表面層的裂開的Fe₃Sn₂表面的STM圖像；

（f-i）兩個不同表面層的V_s = 0.2和-0.2 V的原子分辨率STM圖像。

圖 2 Fe₃Sn₂表面的電子能帶結構分析

（a，b）ARPES分別沿Γ-K和Γ-M線的結果圖（頂部），Fe-Sn-1表面層的自旋極化帶圖（底部）；

（c）Fe-Sn-1表面的自旋極化帶結構圖；

（d）Fe-Sn-1（實心圓）和Sn（虛線圓）的費米能級的光發射強度和費米面疊加圖。

圖 3 Fe-Sn-1表面的掃描隧道譜

（a）沿藍線的差分電導圖（頂部）及其在V_s?= -0.2 V的STM圖像（底部）；

（b）Fe-Sn-1表面結構的Γ點處的平帶狀態的電荷特性圖（頂部），平行橫截面Fe-Sn層的電荷特性圖（底部）。

圖 4 Fe₃Sn₂的鐵磁有序分析

（a，b）在2 K下，Fe₃Sn₂單晶的磁滯回線圖和溫度依賴磁矩圖;

（c）塊體Fe₃Sn₂非磁性狀態的能帶結構，DOS和部分DOS圖；

（d）塊體Fe₃Sn₂鐵磁態的DOS圖；

（e）鐵磁態的自旋密度分布圖。

【小結】

本文不僅在實驗上第一次展示了實際kagome晶格確實可以存在平帶電子結構，而且為探索晶格驅動的長程鐵磁序提供了新思路。未來對平帶電子結構的進一步調控，比如調節費米面位置，將有可能實現其它在拓撲量子計算方面有應用前景的新奇量子態。上述研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部以及量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。

文獻鏈接：Flatbands and Emergent Ferromagnetic Ordering in Fe₃Sn₂ Kagome Lattices（Phys. Rev. Lett., 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.09640）。

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