探索具有電子關聯作用的拓撲量子材料一直是凝聚态物理研究的前沿領域之一。理論學家預測，具有Kane-Mele自旋軌道耦合和面外鐵磁性的籠目晶格（Kagome Lattice）有望實現包括高溫本征量子反常霍爾效應在内的多種新奇拓撲物态。2020年，beat365官方网站量子材料科學中心賈爽研究員等人發現首個高溫陳數籠目磁體TbMn₆Sn₆（Nature 583, 533–536 (2020) ），在純淨籠目晶格和面外鐵磁性材料的探索中取得突破。

近日，賈爽研究員課題組與普林斯頓大學M. Zahid Hasan教授等合作，進一步研究稀土元素對RMn₆Sn₆（R=Gd–Tm, Lu）中拓撲電子結構的影響，通過電輸運和譜學實驗證實了稀土元素可以有效地調節籠目磁體中的陳數能隙。

研究團隊通過替換不同的稀土元素，對與TbMn₆Sn₆具有類似量子輸運特性的籠目磁體RMn₆Sn₆作了系統研究。這一系列樣品均表現出非平庸貝利相位的SdH量子振蕩以及由貝利曲率場引起的本征反常霍爾效應；與在角分辨光電子能譜（ARPES）上觀測到的狄拉克線性色散相結合，被證明是一族具有有質量狄拉克費米子的陳數拓撲磁體。同時，這一族材料的拓撲能帶結構呈現出随稀土元素系統性變化的趨勢（如圖）。研究團隊認為，4f與3d電子之間的相互作用是稀土元素可以在RMn₆Sn₆中充當量子調節旋鈕的原因。該工作發現了一種不同于Kane-Mele模型的陳數能隙調控方式，為關聯體系中拓撲電子的量子操控開辟了新方向。

RMn₆Sn₆系列樣品的狄拉克錐能量E_D和能隙△，二者的系統演變分别與稀土元素的de Gennes因子呈平方根和線性關系；内插圖是具有陳數能隙的狄拉克錐

2021年6月16日，相關工作以“稀土對拓撲籠目磁體RMn₆Sn₆的調控機制”（Rare Earth Engineering in RMn₆Sn₆ (R = Gd–Tm, Lu) Topological Kagome Magnets）為題發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）；beat365官方网站2017級博士研究生馬文龍、2020屆博士畢業生許錫童和普林斯頓大學博士後殷嘉鑫為共同第一作者，賈爽和M. Zahid Hasan為共同通訊作者，理論合作者包括beat365量子材料科學中心王垡研究員和2017級博士研究生楊輝等。

上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、中國博士後科學基金及量子物質科學協同創新中心、中國科學院拓撲量子計算卓越創新中心、北京量子信息科學研究院等支持。

論文鍊接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.246602