近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室柳仲楷課題組聯(lián)合德國(guó)馬普固體化學(xué)物理研究所、美國(guó)羅格斯大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理所等科研團(tuán)隊(duì)，通過(guò)創(chuàng)新性的晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功合成了交織磁性層與kagome 電荷層的新型金屬化合物 TbTi?Bi?，首次在該體系中觀(guān)察到橢圓螺旋磁序與自旋密度波（SDW）共存的電荷-磁有序態(tài)，并揭示了其帶來(lái)的高達(dá)10⁵Ω^-1 cm^-1的巨大反常霍爾電導(dǎo)。這一發(fā)現(xiàn)為突破kagome體系中長(zhǎng)期存在的幾何組挫限制、設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)磁性與電子結(jié)構(gòu)的量子材料提供了全新思路。相關(guān)成果以“Interwoven magnetic kagome metal overcomes geometric frustration”為題發(fā)表于《自然-材料》（Nature Materials）。

傳統(tǒng)磁性kagome晶格由于共享頂角的結(jié)構(gòu)，磁原子間的相互競(jìng)爭(zhēng)會(huì)造成“幾何組挫”效應(yīng)，對(duì)長(zhǎng)程磁有序構(gòu)型形成了極大的限制。本工作提出一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略：將磁性稀土Tb原子鏈與非磁性Ti-Bi kagome層相互交織，從而在空間上分離巨大局域磁矩與傳導(dǎo)電子。該“交織”結(jié)構(gòu)既保留了kagome晶格獨(dú)特的拓?fù)淠軒Ш透哌w移率電子，又避免了磁性kagome晶格的磁構(gòu)型限制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁序和電子結(jié)構(gòu)的獨(dú)立調(diào)控和協(xié)同作用(圖1)。

圖1. 交織磁性 kagome金屬TbTi₃Bi₄新奇物性示意。

研究揭示了新型磁性kagome材料TbTi?Bi?的復(fù)雜磁結(jié)構(gòu)和磁電強(qiáng)耦合行為：中子衍射結(jié)果顯示，該體系在20.4K出現(xiàn)具有大局域磁矩(10.7u_b/Tb)的橢圓螺旋磁序（圖2a）；SP-STM實(shí)驗(yàn)證實(shí)了材料中存在與磁序同周期的自旋密度波，表明局域磁矩與傳導(dǎo)電子之間形成強(qiáng)烈耦合（圖2b）；ARPES測(cè)量能帶出現(xiàn)被磁序影響的重構(gòu)及約90meV的巨大雜化能隙，遠(yuǎn)超巡游SDW圖像預(yù)期，顯示出電子—局域磁矩強(qiáng)耦合導(dǎo)致的能帶重構(gòu)效應(yīng)（圖2c）。

進(jìn)一步理論分析表明，TbTi?Bi?中的大局域磁矩與傳導(dǎo)電子之間的Kondo型耦合形成有效的RKKY交換作用，從而驅(qū)動(dòng)SDW序及巨大雜化能隙形成。該耦合從微觀(guān)上解釋了材料中觀(guān)測(cè)到的巨大反?；魻栯妼?dǎo)與高達(dá)31.1%的霍爾角（圖2d）。研究指出，這種巨型霍爾效應(yīng)并非源自Berry曲率機(jī)制，而是磁性層對(duì)電荷層斜散射的結(jié)果。

圖2. TbTi₃Bi₄中復(fù)雜磁結(jié)構(gòu)和磁電強(qiáng)耦合行為測(cè)量。a. 中子衍射結(jié)果證實(shí)其具有波矢為Q=(0.36, 0.29,0)的橢圓螺旋磁序。b. 自旋分辨掃描隧道顯微鏡結(jié)果證實(shí)其具有波矢為q=(1/3, 0, 0)的自旋密度波。c. 角分辨光電子能譜結(jié)果證實(shí)其在磁有序溫度(T_N)之下具有波矢為q=(1/3, 0, 0)的能帶重構(gòu)及大雜化能隙。d. 磁輸運(yùn)結(jié)果證實(shí)其相較于其他金屬及kagome材料，具有巨大反?；魻栯妼?dǎo)。

該研究提出并驗(yàn)證了一種突破kagome幾何組挫限制的新范式——通過(guò)空間交織磁性與電荷層實(shí)現(xiàn)電子與磁序的單獨(dú)設(shè)計(jì)與協(xié)同耦合。這一策略不僅為kagome磁性體系中獲得新奇磁電物態(tài)提供了可能，也為未來(lái)可編程量子材料、自旋電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)思路。

本工作由上?？萍即髮W(xué)柳仲楷副教授、德國(guó)馬普固體化學(xué)物理研究所Claudia Felser 院士、美國(guó)羅格斯大學(xué)吳偉達(dá)教授、中國(guó)科學(xué)院物理所楊義峰研究員共同領(lǐng)導(dǎo)。馬普所程二建博士為第一作者，共同一作包括物質(zhì)學(xué)院王開(kāi)樸（2022級(jí)博士研究生）、李宗鍇（2025級(jí)博士研究生）以及羅格斯大學(xué)陳文清、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室郝一清博士、以色列魏茨曼研究所譚恒心博士。

論文標(biāo)題：Interwoven magnetic kagome metal overcomes geometric frustration

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02414-4