一種單原子層的鐵磁材料中發現自旋極化的外爾節線

　　最近十幾年，能帶的拓撲理論發展迅速。目前，人們已經發現了多種拓撲能帶結構，比如狄拉克錐（Dirac cone）、外爾錐（Weyl cone）以及狄拉克/外爾節線（Dirac/Weyl nodal line）。這類拓撲能帶結構會帶來奇特的物理現象，比如手性反常、超大磁阻等。然而，除了石墨烯早已被證實擁有二維狄拉克錐之外，這類奇特的拓撲能帶結構在二維材料中非常罕見。我們知道，二維材料在納米微電子器件中具有巨大的應用價值，因此在二維材料中實現拓撲能帶結構具有重要的現實意義。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心特聘研究員馮寶杰、研究員陳嵐和吳克輝長期從事二維材料的生長及物性表征，最近幾年在實驗探索二維拓撲材料方面取得系列進展。比如，他們先后在硅烯和硼烯中發現了類似于石墨烯中的二維狄拉克錐，隨后他們首次在單層Cu₂Si中發現了二維狄拉克節線。

　　然而，前面提到的幾種二維拓撲材料都是非磁性的，很難直接應用于自旋電子學器件中。因此，人們有必要在磁性材料中探索拓撲能帶結構。2017年，人們首次在實驗上獲得了二維鐵磁材料（CrI₃, Cr₂Ge₂Te₆），引發了該領域的研究熱潮。但是，實現拓撲性的二維鐵磁材料仍然比較困難。

　　最近，馮寶杰、陳嵐、吳克輝與北京理工大學教授姚裕貴以及日本廣島大學教授島田賢也合作，利用同步輻射角分辨光電子能譜（ARPES）并結合理論計算在一種單原子層的鐵磁材料GdAg₂（Tc≈85 K）中，發現了自旋極化的外爾節線。通過深入的分析，他們發現這些外爾節線受到晶體對稱性的保護，因此具有很好的穩定性。另外，單層GdAg₂中的某些外爾節線會隨著磁化方向的不同而選擇性地打開能隙。

　　這項工作近期發表在《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 123, 116401 (2019)）上。該工作得到國家自然科學基金委、科技部和中科院B類先導專項等的資助。

　　圖1：單層GdAg₂的計算結果（不考慮襯底）。

　　圖2：樣品制備及ARPES測量結果。

　　圖3：ARPES測量結果：證實GdAg₂中存在外爾節線。