2022年10月20日下午，量子科学与工程研究院党总支在国际量子研究院518报告厅举办了第三十期卓粤量子沙龙活动，本次沙龙邀请了南方科技大学物理系副教授殷嘉鑫老师为研究院师生带来了主题为“笼目晶体中的量子衍生”的报告。本次沙龙的主持人为量子研究院研究员陈朝宇老师。

殷老师的报告聚焦于笼目磁体和超导体的发现与发展，主要讨论了笼目晶体电子结构的基本概念、陈数磁体和外尔磁体的发现，阐述了最新发现与原始概念的联系，笼目磁体与笼目超导体的联系，以及它们与拓扑绝缘体、外尔半金属和高温超导之间的联系。

报告中殷老师首先介绍了笼目概念的起源，以及笼目晶体结构是如何引入到量子物理之中的。笼目晶格材料的电子结构有三个重要的组成部分，包括弥漫在整个动量空间的平带，在布里渊区角落的狄拉克锥以及在布里渊区边界中心的范霍夫奇点。对笼目电子结构的研究集中在两个方向：拓扑性质和多体相互作用。考虑Kane-Mele模型自旋轨道耦合的情况下，狄拉克锥会打开能隙，如果费米能恰好位于能隙之中，就会产生量子自旋霍尔效应。考虑平带驱动磁性的情况下，铁磁性的存在破坏了时间反演对称性，从而产生反常量子霍尔效应。一般情况下，费米能不在狄拉克锥的能隙之中，但是如果狄拉克锥与费米能的能量差可以同自旋轨道耦合打开的能隙大小相比拟，反常霍尔电导仍然是非常大的。因此，具有铁磁性的体系，自旋轨道耦合作用比较强，且狄拉克锥比较靠近费米面，是比较容易实现量子反常霍尔效应的。如果笼目材料中能带填充恰好在范霍夫奇点的时候，在布里渊区边界中心的范霍夫奇点会发生费米面嵌套，从而会导致自旋或者电荷密度波的产生。原则上来讲，笼目晶格中范霍夫奇点驱动的电荷密度波有序不仅会在费米能处打开能隙，还会产生非平庸的贝里相位，从而形成轨道电流以及拓扑边缘态。

接下来殷老师详细介绍了拓扑笼目磁体的实验发现和研究进展。TbMn₆Sn₆材料的磁矩沿着面外方向，笼目结构层只包含Mn原子，是一个理想的Chern笼目磁体。殷老师团队在该体系中发现了很大的Chern能隙、拓扑边缘态以及有能隙的狄拉克锥产生的贝里曲率，实现了Chern量子相。利用矢量磁场扫描隧道显微镜，在强关联笼目磁体Fe₃Sn₂中发现了巨大且各向异性的自旋轨道可调控性。殷老师简要介绍了在笼目材料Mn₃Sn和Co₃Sn₂S₂中外尔费米子和费米弧的发现及其反铁磁自旋电子学方面的研究进展，以及笼目晶格中平带的起源。作为笼目晶格电子结构的一个典型特征，平带在多种笼目材料中都被实验所观测到。

随后殷老师详细介绍了拓扑笼目超导体的实验发现和研究进展。准二维笼目超导体AV₃Sb₅(A=K, Rb, Cs)体系中几何阻挫、超导、电荷序和能带拓扑等多种自由度共存，引起了凝聚态物理学界广泛的关注和研究。他们利用扫描隧道显微镜，发现在低温下有超晶格出现，直接证明了该体系存在的手征电荷密度波有序，破坏了时间反演对称性，与输运测量、X射线衍射、缪子自旋旋转和磁光克尔效应等其他实验手段得到的结果相吻合。

最后殷老师介绍了笼目磁体FeGe的实验进展。由于扫描隧道显微镜对AV₃Sb₅的测量只能局限在Sb或者Cs原子面，这些原子面并不是笼目层结构。为了直接测量笼目结构层上的电荷密度波及其对电子结构的影响，殷老师团队利用自旋分辨扫描隧道显微镜对笼目磁体FeGe进行了详细的研究。他们在Fe原子形成的笼目层上观测到了的手征电荷序，且具有层间反铁磁序，揭示了手征电荷序和反铁磁之间的关联和非常规的耦合。在电荷序形成的能隙中发现了明显的边缘态，不依赖于具体的边界形状，鲁棒性很强，有可能是受到拓扑保护的。

在自由提问环节中，现场和线上参与的老师和同学们踊跃参与，气氛非常热烈。殷老师详细解答了这些问题，并与师生们进行了长达半小时的深入讨论。量子科学与工程研究院的各位老师和同学通过此次报告刷新了对拓扑笼目磁体和超导体的认识，获益良多。

撰稿：蔡永青；审稿：陈朝宇