探索具有电子关联作用的拓扑量子材料一直是凝聚态物理研究的前沿领域之一。理论学家预测，具有Kane-Mele自旋轨道耦合和面外铁磁性的笼目晶格（Kagome Lattice）有望实现包括高温本征量子反常霍尔效应在内的多种新奇拓扑物态。2020年，北京大学物理学院量子材料科学中心贾爽研究员等人发现首个高温陈数笼目磁体TbMn₆Sn₆（Nature 583, 533–536 (2020) ），在纯净笼目晶格和面外铁磁性材料的探索中取得突破。

近日，贾爽研究员课题组与普林斯顿大学M. Zahid Hasan教授等合作，进一步研究稀土元素对RMn₆Sn₆（R=Gd–Tm, Lu）中拓扑电子结构的影响，通过电输运和谱学实验证实了稀土元素可以有效地调节笼目磁体中的陈数能隙。

研究团队通过替换不同的稀土元素，对与TbMn₆Sn₆具有类似量子输运特性的笼目磁体RMn₆Sn₆作了系统研究。这一系列样品均表现出非平庸贝利相位的SdH量子振荡以及由贝利曲率场引起的本征反常霍尔效应；与在角分辨光电子能谱（ARPES）上观测到的狄拉克线性色散相结合，被证明是一族具有有质量狄拉克费米子的陈数拓扑磁体。同时，这一族材料的拓扑能带结构呈现出随稀土元素系统性变化的趋势（如图）。研究团队认为，4f与3d电子之间的相互作用是稀土元素可以在RMn₆Sn₆中充当量子调节旋钮的原因。该工作发现了一种不同于Kane-Mele模型的陈数能隙调控方式，为关联体系中拓扑电子的量子操控开辟了新方向。

RMn₆Sn₆系列样品的狄拉克锥能量E_D和能隙△，二者的系统演变分别与稀土元素的de Gennes因子呈平方根和线性关系；内插图是具有陈数能隙的狄拉克锥

2021年6月16日，相关工作以“稀土对拓扑笼目磁体RMn₆Sn₆的调控机制”（Rare Earth Engineering in RMn₆Sn₆ (R = Gd–Tm, Lu) Topological Kagome Magnets）为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）；北京大学物理学院2017级博士研究生马文龙、2020届博士毕业生许锡童和普林斯顿大学博士后殷嘉鑫为共同第一作者，贾爽和M. Zahid Hasan为共同通讯作者，理论合作者包括物理学院量子材料科学中心王垡研究员和2017级博士研究生杨辉等。

上述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（B类）、中国博士后科学基金及量子物质科学协同创新中心、中国科学院拓扑量子计算卓越创新中心、北京量子信息科学研究院等支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.246602