近日，中科大合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中科院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授研究組與吳濤教授研究組合作，在籠目晶格材料平帶物性研究方面取得重要進展。研究團隊在順磁性籠目晶格材料CoSn中觀測到了費米能級附近的平帶電子結構并揭示了由平帶電子導致的輸運和磁性的反常各向異性。該研究成果以“Flat-Band-Induced Anomalous Anisotropic Charge Transport and Orbital Magnetism in Kagome Metal CoSn”為題于2月28日發(fā)表在《Physical Review Letters》雜志上。

固體材料的電磁特性很大程度上取決于其電子能帶結構。相對于常見的拋物線型色散關系的電子能帶，處于兩個極端的線性色散能帶以及無色散平帶是產生新物態(tài)及新效應的重要平臺。如線性色散能帶往往導致新奇的相對論效應和拓撲物性，而平帶中電子動能淬滅，電子間庫侖相互作用占據主導，是研究強關聯效應的理想候選。籠目晶格是一類由頂點共享的三角格子組成的二維晶格結構，理論研究表明這樣一個特殊晶格體系會同時存在電子有效質量為零的線性色散能帶和有效質量無窮大的平帶。曾長淦教授研究組在國際上較早開展了該體系材料特殊電子結構和物性的研究工作。如在實驗上率先證實了鐵磁籠目材料 Fe3Sn2中存在天然無色散的平帶電子結構，并進一步揭示了其高溫鐵磁性源于平帶電子關聯（Phys. Rev. Lett. 121, 096401 (2018)，封面文章，編輯推薦），以及在反鐵磁籠目材料FeSn中確證了此前理論預言的反鐵磁狄拉克態(tài)這一新型拓撲物態(tài)（Phys. Rev. B 102, 155103 (2020)，編輯推薦）。

在以上研究基礎上，研究團隊結合多尺度實驗表征手段及理論分析，對順磁籠目材料CoSn中的平帶及平帶物性開展了系統研究。結合第一性原理計算和角分辨光電子能譜，研究人員首先證實CoSn中存在費米能級附近的平帶電子結構，且占據了較大動量空間范圍。電子輸運測試發(fā)現當電流沿二維籠目晶格面內的電阻率可達面外方向的60倍，這與傳統的（準）二維材料明顯相反。此外宏觀磁性測量表明磁場垂直于籠目晶格時的材料磁化率要比沿面內方向小得多，進一步的核磁共振實驗表明其源于軌道磁性的各向異性。結合理論分析，他們發(fā)現這些電磁特性的反常各向異性均可歸因于平帶電子特性：平帶電子波函數局域化及其導致的較大有效質量產生了較大的面內電阻率；而局域化的平帶電子在垂直磁場下形成的環(huán)形電流，會貢獻額外的軌道抗磁。該工作成功揭示了籠目晶格材料中由平帶所導致的宏觀電子學行為，為實驗進一步探索平帶誘導的關聯電子物性提供了新思路。相較于目前引起廣泛關注的以魔角雙層石墨烯為代表的人工結構，CoSn等天然平帶材料為探索平帶物理提供了另一類材料候選。

圖：（a, b）實驗觀測和理論計算的CoSn中費米能級附近的平帶。（c）籠目晶格中平帶電子在垂直磁場下產生的環(huán)形電流及相應的軌道抗磁性

物理系博士研究生黃浩為論文第一作者，曾長淦教授、吳濤教授和李林副研究員為論文通訊作者。本工作是與中科大合肥微尺度物質科學國家研究中心王征飛教授、國家同步輻射實驗室孫喆教授以及中科院物理所翁紅明研究員等課題組合作完成，并得到了來自國家自然科學基金委、中科院以及安徽省的資助。（來源：中科大）