2020年，中國(guó)科學(xué)院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究員方忠和物理所T03組博士生聶思敏（現(xiàn)為斯坦福大學(xué)博士后）、特聘研究員王志俊、研究員翁紅明、香港科技大學(xué)教授戴希等（Phys. Rev. Lett. 124, 076403 (2020)）合作，通過(guò)第一性原理計(jì)算和低能有效模型分析，預(yù)言EuB₆在順磁態(tài)是拓?fù)淦接沟恼瓗栋雽?dǎo)體，進(jìn)入鐵磁態(tài)后，時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)破缺，交換場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致能帶劈裂，自旋向上態(tài)的能隙減小而自旋向下態(tài)的能隙變大，最終自旋向上的能帶發(fā)生反轉(zhuǎn)，形成磁性拓?fù)浒虢饘賾B(tài)（圖1e）。2002年，Denlinger等人（Phys. Rev. Lett. 89, 157601 (2002)）利用角分辨光電子能譜（ARPES），測(cè)量了EuB6的電子結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在順磁態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)有約1 eV的帶隙，與理論計(jì)算不符。

　　物理所EX7組博士生高順業(yè)和研究員錢(qián)天、研究員丁洪，EX10組博士后伊長(zhǎng)江和研究員石友國(guó)，王志俊、中國(guó)人民大學(xué)博士生徐升和教授夏天龍、丹麥技術(shù)大學(xué)博士后李航、斯坦福大學(xué)博士后聶思敏等合作，利用同步輻射光源ARPES再次對(duì)EuB₆的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)EuB₆（001）解理面存在Eu和B兩種截止面。在Eu截止面上觀測(cè)到的是懸掛鍵形成的平庸表面態(tài)，與早期的ARPES結(jié)果一致。在B截止面上，研究人員觀測(cè)到體態(tài)的能帶，與理論計(jì)算符合（圖2）。研究人員繼續(xù)測(cè)量了B截止面體態(tài)能帶隨溫度的變化，觀測(cè)到伴隨鐵磁轉(zhuǎn)變發(fā)生自旋劈裂和能帶反轉(zhuǎn)，在鐵磁態(tài)形成了時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)破缺的磁性拓?fù)浒虢饘賾B(tài)（圖3）。

　　與之前實(shí)驗(yàn)證實(shí)的磁性拓?fù)浒虢饘俨牧舷啾?，EuB₆磁性拓?fù)浒虢饘賾B(tài)的電子結(jié)構(gòu)較理想，能帶交叉位于費(fèi)米能級(jí)并且沒(méi)有其他能帶的干擾，有利于相關(guān)的拓?fù)湮镄缘膶?shí)現(xiàn)和研究，如在二維極限下EuB₆薄膜的量子反?；魻栃?yīng)。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Physical Review X 11,021016 (2021)上，論文并列第一作者為高順業(yè)（實(shí)驗(yàn)測(cè)量）、徐升（樣品制備）、李航（實(shí)驗(yàn)測(cè)量）、伊長(zhǎng)江（樣品制備），論文共同通訊作者為石友國(guó)、夏天龍、錢(qián)天。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院等的支持。

　　論文鏈接 

圖1.EuB₆的計(jì)算電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)

圖2.順磁態(tài)下Eu截止面和B截止面的ARPES實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3.B截止面的溫度依賴(lài)ARPES實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4.鐵磁態(tài)下B截止面的面內(nèi)和面外ARPES實(shí)驗(yàn)結(jié)果