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中心博士后贺卓然在窄能隙磁性拓扑材料理论研究方面取得进展

发布日期:2021-11-04    作者:     来源:     点击:

(通讯员 贺卓然)11月1日,国家脉冲强磁场科学中心博士后贺卓然与导师徐刚教授在New Journal of Physics上发表题为“Interplay of topological electrons and magnons in the Kagome magnet CoCu3(OH)6Cl2”的论文。该成果由贺卓然与中心博士生罗爱云、徐刚教授以及普林斯顿大学廉骉教授合作完成。此工作将强关联理论与磁性拓扑材料相结合,在Kagome晶格的Herbertsmithite材料CoCu3(OH)6Cl2上计算模拟了铁磁相和反铁磁相,建立t-J模型并利用Schwinger玻色子方法自洽求解电子能带与磁振子能带。此工作发现电子能谱与磁振子能谱同时具有拓扑非平庸的陈数,并进一步从理论上探寻了磁耦合作用导致电子能带拓扑性质改变的可能性。这些发现在磁性拓扑材料的研究中具有启发意义。

图为电荷子、磁振子能带及拓扑相变结果。(a)电荷子能带与t-J模型的拟合;(b)用t-J模型计算出的磁振子能带;(c)电荷子能带的表面态;(d)磁振子能带的表面态;(e)拓扑相变前,三个电荷子能带及陈数;(f)拓扑相变后,三个电荷子能带及陈数。

在过去的几十年里,物质的拓扑相引起了广泛的研究兴趣。而拓扑态的研究最初集中在电子系统上。后来拓扑态被推广到各种玻色型准粒子上。在强关联电子系统中,磁振子能带和电子能带的拓扑性质存在内在联系。然而,它们之间的关系和相互影响之前很少被研究,亟待进一步的深入研究。

关于拓扑磁振子的前人工作主要运用了海森堡模型,其中电子电荷自由度被冻结,整个系统成为局域自旋的玻色子系统。然而,这一假设不适用于窄带隙材料。在窄带隙材料中,电子跃迁的影响不可忽略,电荷自由度和自旋自由度都是重要的建模因素。本工作根据第一性原理计算建立了一个t-J模型来研究了Kagome材料CoCu3(OH)6Cl2利用Schwinger玻色子平均场理论同时考虑了电荷和自旋自由度,得到了拓扑非平庸的费米型和玻色型激发。费米子谱很好地再现了DFT计算的电子结构的能量色散和拓扑性质。同时,玻色子谱表明CoCu3(OH)6Cl2是一个拓扑磁振子系统,其中存在磁振子热霍尔效应。我们的工作还发现,在窄带隙Kagome反铁磁t-J模型中,可以发生交换关联强度驱动的电子能带拓扑相变。该工作对于人们正确处理窄带隙磁性材料中电子结构、磁振子激发及其拓扑性质具有重要的指导作用,也对促进磁性拓扑材料的磁相变与拓扑相变研究具有重要意义。


论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ac309b