呼吸型笼目晶格磁性外尔半金属及其自旋取向调控

磁性外尔半金属是一类兼具磁有序和拓扑电子态的新型量子材料，其低能激发态可用外尔费米子描述，近年来已成为拓扑物理和量子材料领域的重要研究方向。利用外磁场连续驱动磁矩转动，有望实现对拓扑态及相关输运行为的可逆调控。然而，目前具备自旋取向可调性的磁性外尔半金属体系仍十分有限，相关调控研究尚处于起步阶段。因此，发现磁性外尔半金属新体系并实现自旋取向拓扑态调控，是磁性拓扑物理当前的重要研究课题。

呼吸型笼目晶格由两类不同尺寸的三角格子交替排列而成，其对称性的降低可改变体系的能带结构，有望构筑丰富的电子态。LaCrGe₃铁磁体具有由Ge原子构成的呼吸型笼目晶格，居里温度约为85 K。其Cr磁矩的易轴为c轴，ab面内的饱和场为4 T。相对较低的面内饱和场可使Cr磁矩在外磁场驱动下由c轴连续转向面内，为利用磁矩取向调控该体系的电子态提供了有利条件。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学实验室M09刘恩克研究员课题组联合北京师范大学刘德发教授团队，通过第一性原理计算、电输运测量和角分辨光电子能谱（ARPES）等手段，证实了LaCrGe₃具有磁性外尔半金属特性。透射电镜表征证实了体系具有呼吸型笼目晶格。理论计算表明，笼目晶格的呼吸畸变使外尔点由6对增加至12对，而ARPES在费米能级附近观测到与计算一致的外尔点及线性色散。反常霍尔电导内禀值约为560 Ω^-1 cm^-1，表明横向输运主要受拓扑增强的贝利曲率所控制。电场与磁场平行条件下，低场磁电导呈B²依赖关系，具有手性反常负磁电阻特征。进一步地，通过旋转外磁场驱动磁矩转动，实现了对拓扑输运响应的连续调控。理论计算表明，伴随部分外尔点在磁矩转动过程中发生移动和湮灭，无对称性保护的外尔点则可稳定存在，表明磁矩转动可以导致体系发生拓扑态重构和输运演化。

    该研究证实了LaCrGe₃的磁性外尔半金属态，揭示了笼目晶格呼吸畸变对拓扑物态的促进作用，并实现了自旋取向对外尔点、贝利曲率和拓扑输运的同步调控。相关结果为研究磁序与拓扑态的耦合提供了新的平台，也为发展外场可调的拓扑磁电子学功能器件提供了物理基础。

图1  LaCrG₃的外尔点谱学证据及其自旋取向调控：a，ARPES实验（左图）与DFT计算（右图）能带结构对比；b，B ⊥ I 和 B // I条件下的磁电导曲线；

c，贝利曲率积分随磁矩转动的变化；d，实验测量反常霍尔电导和理论计算的内禀反常霍尔电导与磁场转角的依赖关系。