中科大Phys. Rev. Lett.：准二维Fe3Sn2 Kagome晶格的新奇电子特性

【引言】

在电子能带理论中，固体的能带结构是通过求解晶格周期电位中电子的单电子薛定谔方程确定。通过适当设计晶格结构可以获得各种非凡的能带结构。一个广受关注的例子是通过构造蜂巢晶格可以实现具有线性色散关系的狄拉克能带。而与狄拉克能带形成鲜明对照的是平带。狄拉克能带中电子没有质量，而平带中的电子具有很重的质量。理论预言平带可能导致各种激动人心的物理效应，包括铁磁性、高温分数量子霍尔效应、Wigner晶体、玻色-爱因斯坦凝聚、以及高温超导等。原则上平带可以通过构造一些特殊晶格使电子布洛赫波局域相消干涉来实现。然而迄今为止，对实际材料平带的实验验证及平带物理效应的展示仍然是一个巨大的挑战。在本文中，作者获得了真实的分层2D kagome Fe₃Sn₂中平带和铁磁性。

【成果简介】

近日，曾长淦教授研究团队与韩国汉阳大学的中心访问学者Jun-Hyung Cho教授、国家同步辐射实验室孙喆教授等合作，结合扫描隧道显微术、角分辨光电子能谱、第一性原理计算等手段，证实准二维kagome化合物Fe₃Sn₂确实存在平带电子结构。通过理论计算和模型证实，影响带平坦度的主要原因是kagome晶格内Bloch波函数的局部破坏性。在kagome晶格中的六边形单元的独特网格中，分子内交换相互作用形成的局部自旋矩的铁磁耦合。这项研究为探索晶格驱动的长程铁磁序提供了新思路。相关成果以“Flatbands and Emergent Ferromagnetic Ordering in Fe₃Sn₂ Kagome Lattices”为题发表在Physical Review Letters上，并被刊物编辑部评选为Editors’Suggestion。博士生林志勇为文章第一作者。

【图文导读】

图 1 块体Fe₃Sn₂及其表面结构表征

（a）kagome晶格中六边形上波函数自定位的示意图；

（b，c）块体Fe₃Sn₂优化结构的顶视图和透视图；

（d）三个不同原子分辨率层的横截面TEM图像；

（e）两个不同表面层的裂开的Fe₃Sn₂表面的STM图像；

（f-i）两个不同表面层的V_s = 0.2和-0.2 V的原子分辨率STM图像。

图 2 Fe₃Sn₂表面的电子能带结构分析

（a，b）ARPES分别沿Γ-K和Γ-M线的结果图（顶部），Fe-Sn-1表面层的自旋极化带图（底部）；

（c）Fe-Sn-1表面的自旋极化带结构图；

（d）Fe-Sn-1（实心圆）和Sn（虚线圆）的费米能级的光发射强度和费米面叠加图。

图 3 Fe-Sn-1表面的扫描隧道谱

（a）沿蓝线的差分电导图（顶部）及其在V_s = -0.2 V的STM图像（底部）；

（b）Fe-Sn-1表面结构的Γ点处的平带状态的电荷特性图（顶部），平行横截面Fe-Sn层的电荷特性图（底部）。

图 4 Fe₃Sn₂的铁磁有序分析

（a，b）在2 K下，Fe₃Sn₂单晶的磁滞回线图和温度依赖磁矩图;

（c）块体Fe₃Sn₂非磁性状态的能带结构，DOS和部分DOS图；

（d）块体Fe₃Sn₂铁磁态的DOS图；

（e）铁磁态的自旋密度分布图。

【小结】

本文不仅在实验上第一次展示了实际kagome晶格确实可以存在平带电子结构，而且为探索晶格驱动的长程铁磁序提供了新思路。未来对平带电子结构的进一步调控，比如调节费米面位置，将有可能实现其它在拓扑量子计算方面有应用前景的新奇量子态。上述研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部以及量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

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

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