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物理所等发现磁性外尔半金属Co₃Sn₂S₂的表面笼目电子结构

稿件来源：物理研究所责任编辑：ICAC 发布时间：2023-09-26

　　基于过渡金属的笼目晶格（kagome lattice）化合物，是探索几何阻挫、关联效应、磁性及拓扑等丰富物理性质的重要材料体系。Co₃Sn₂S₂是具有笼目晶格的磁性外尔半金属，具有内禀反常霍尔效应、拓扑表面态费米弧、手性异常负磁电阻等新奇拓扑物性，是当今凝聚态物理中最有趣的研究对象之一。扫描隧道显微镜（STM）和角分辨光电子能谱等实验发现，Co₃Sn₂S₂的部分物性与特定解理表面密切相关，如自旋轨道极化子仅存在于特定解理面、外尔费米弧在不同解理面上有不同的分布等。然而，目前国际上对该晶体解理面的确定存在争议。Co₃Sn₂S₂的两个主要解理面（Type-I面和Type-II面）在STM图中均为三角晶格，从对称性与表面能上判断可能是三角晶格的S面或Sn面，而非笼目晶格的Co3Sn面。一些研究认为，Type-I表面为S面（Type-II表面为Sn面）；而另一种观点给出了相反的定面，即Type-II表面为S面（Type-I表面为Sn面）。由于特定表面与其物性密切相关，因此首先需要对所解理的表面给于确定性的判断，为进一步研究奠定正确的基础。

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士研究团队在笼目晶格材料的构筑、物性测量与调控方面取得了一系列具有国际顶尖水平的研究成果。2020年，该团队在磁性外尔半金属Co₃Sn₂S₂中首次提出“自旋轨道极化子”概念【《自然-通讯》Nature Communications 11, 5613 (2020)】。近日，该团队副研究员黄立、博士郑琦和邢宇庆、研究员杨海涛等，与中国人民大学教授季威带领的博士孔祥华等合作，对Co₃Sn₂S₂解理面定面和表面上笼目晶格相关电子态开展了深入研究。

　　该研究运用化学键分辨的原子力显微镜（nc-AFM）与第一性原理计算（DFT）相结合的方法，对两种解理面进行定面。在此前通过局域接触电势差测量定面的基础上【Nature Communications 11, 5613 (2020)】，该研究发展了精确度更高的通过短程力谱测量定面的方法。这一方法对两种表面上晶格高对称点处实验测量的力谱与DFT计算的S面、Sn面和Co₃Sn面力谱进行对比，能够准确地给出表面元素与结构信息。基于这两个结果，该研究明确了Type-I表面为S面，Type-II表面为Sn面，解决了国际上关于S和Sn解理面存在的争议。

　　进一步，该团队研究了这两种解理面上的笼目晶格相关电子态。科研人员通过nc-AFM实空间成像发现，两种表面上的原子均呈三角形，与笼目原子层中Co₃的对称性相同。在Sn面上，相邻的三角形以共角的形式连接，形成表面笼目电子态（surface kagome electronic states，SKESs，指的是波函数在空间上遵循笼目对称性分布的表面电子态）；而在S面上三角形相互独立，形成了不完整的表面笼目电子态（i-SKESs），即笼目晶格的两套三角形子晶格中只有一套子晶格存在。结合第一性原理计算，该研究证实了表面Sn（亚表面S）原子与下层Co笼目晶格之间存在垂直方向的p-d电子杂化，使表面原子呈现三角形。在Sn表面，Sn和S原子进一步以共角的方式进行横向杂化，从而产生SKESs；而在S面，因无Sn原子的参与，形成了i-SKESs。这些实验结果说明，Sn（S）原子层可以通过电子杂化的方式将下层的笼目对称性电子态“传导”到表面，从而构筑出SKESs。基于这一发现，研究人员提出用III-A、IV-A或V-A族元素（Se或Te元素）替换表面Sn原子（次表面S原子）以构建具有可调性质的SKESs。该方法能够构筑具有SKESs的稳定表面结构，并可以结合通过分子束外延等方法实现对SKESs的可控构筑与物性调控。

　　该研究清楚地确定了Co₃Sn₂S₂晶体两个解理面，提出了使用传统表面沉积技术构筑大面积笼目晶格电子态的方法。这一以笼目晶格原子层作为电子结构模板外延生长稳定的SKESs的方法在Co₃Sn₂S₂等笼目材料的器件应用等方面具有重要意义。相关研究成果以Discovery and construction of surface kagome electronic states induced by p-d electronic hybridization in Co₃Sn₂S₂为题，在线发表在Nature Communications上。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项等的支持。深圳大学研究人员参与研究。