Heusler合金中拓扑伞的发现

揭示并调控拓扑非平庸的电子态，是设计和实现具有强贝里曲率和大横向输运特效的拓扑量子材料的关键任务。除了在半导体中引入重元素来诱导拓扑能带反转外，材料内禀的线性能带交叉特性及其拓扑态的多样性，同样引起了研究者的广泛关注。前期研究表明，Heusler化合物不仅具有拓扑非平庸的电子结构，其丰富的多样性更为探索与设计非平庸能带结构开辟了广阔前景。在晶体场作用下，Heusler化合物在G点处存在多重简并态，在高对称线方向上存在多重简并的电子能带。然而，G点处三重简并态的拓扑荷为零，并未引起研究者的关注。此外，多重简并的电子能带恰好位于费米能级附近，却无法被有效利用。有趣的是，利用空间群变换诱导的对称性破缺，这些简并的电子能带在费米能级附近形成多条简并线和简并态，可能会产生强贝里曲率和本征反常霍尔电导率。然而，这些多重简并线和简并态对拓扑态及反常霍尔效应的影响，在以往的研究中尚未得到解决。

本工作以铁磁 Heusler 化合物为研究平台，利用空间群变换诱导的对称性破缺，揭示了一种拓扑非平庸的电子能带结构，将其命名为“拓扑伞”（topological umbrella)。该电子结构由二重简并的自旋向上电子能带结构和三重简并的自旋向下电子能带结构组成，其源于晶体场劈裂、自旋劈裂与自旋轨道耦合之间的相互作用。借助其相对平坦的能带色散和线性能带交叉特性，这种“伞状”的电子结构可被有效用于调控拓扑性质，从而将Heusler 化合物的反常霍尔电导率从 98 Ω⁻¹cm⁻¹ 调节至高达 3032 Ω⁻¹cm⁻¹ 的极高值。

   这一研究不仅发现了一种非平庸的“拓扑伞”电子态，而且提出了一种用于调控拓扑电子态和输运物理的材料设计方案，将为新兴的拓扑自旋电子材料设计提供借鉴，推动未来量子器件与应用的发展。

三维拓扑伞形状的电子能带结构及其对应的反常霍尔电导率演化