相互作用誘導的對稱破缺和拓撲性為凝聚態物質的分類提供了基礎。近年來，相關理論與實驗研究不斷加深對二者關系的理解。研究二者關系的理想平臺是kagome材料體系。kagome晶格材料的單電子能帶具有類似于石墨烯的線形色散關系，還有二次相切的能帶和平帶，相互作用在不同的填充下可調并起到重要作用。在絕緣體情況下，kagome材料獨特的晶格結構使得相互作用存在阻挫，對基態的磁性有重要影響；在半金屬填充下，相互作用可誘導非平庸的拓撲屬性。近期，第一性原理計算方法預言了多種金屬填充的材料體系，實驗上報道了kagome金屬這一新型材料體系。然而，對于具有自旋的平帶半填充的金屬情況，除了少量基于平均場理論的研究，體系中的相互作用、磁性以及與拓撲的關系尚待進一步探索和理解。

　　喬振華研究組與合作者通過密度矩陣重整化群（DMRG）方法探究了kagome晶格在平帶半填充時的量子相，并結合平均場拓撲能帶計算指出該體系具有軌道陳絕緣體相。該研究基于格點tJV模型，其中t、J、V分別表示最近鄰躍遷作用、最近鄰反鐵磁交換作用和最近鄰與次近鄰間的庫侖排斥作用。研究發現，在有限V的條件下，J的大小對體系的相圖起到至關重要的作用。比較大的反鐵磁相互作用傾向于形成一種向列型的電荷密度波，具有各向異性，但沒有磁性（如圖區域Ⅲ）；隨著J降低，體系首先進入一個部分磁化的相（如圖區域Ⅱ）；當J進一步降低時，體系進入完全極化的鐵磁相，并具有量子化的反常霍爾電導（如圖區域Ⅰ），對應的拓撲數或陳數為±1。

　　該體系的陳數僅依賴于體系的軌道磁化，因而可定位為軌道陳絕緣體。相比于磁性和自旋-軌道耦合誘導的陳絕緣體，研究中電子-電子相互作用誘導的陳絕緣體不依賴于自旋的取向。該項研究不僅提供了轉角多層石墨烯之外的另一種軌道陳絕緣體體系，而且為區分kagome體系中反常霍爾效應的不同物理機制提供了理論基礎。

　　中國科大2019屆博士畢業生任亞飛為論文的第一作者，研究工作得到國家自然科學基金委員會、安徽省、中國科大的資助。

　　論文鏈接 

　　kagome晶格中tJV模型的基態量子相圖