第一作者：殷嘉鑫，Songtian Sonia Zhang, 李航

通讯作者：M. Z. Hasan

第一单位：普林斯顿大学（美国）

研究亮点：

1.   发现强关联kagome磁体Fe₃Sn₂中的自旋轨道有巨大且各项异性的量子可调性。

2.   首次实现在原子尺度下对强关联拓扑电子态的矢量磁场调控。

3.   矢量磁场下对电子态的的空间-动量-能量成像与控制开创了在拓扑或量子材料中调控自旋轨道和探索衍生现象的新方法与思路。

在强关联体系中研究对称性破缺序与电子拓扑的相互作用，正逐渐衍生为基础科学的新前沿。对这些问题的深入系统研究，不仅可以帮助人们发展更先进的对基本物质态的认知，更会对新兴量子材料的实际应用带来不可或缺的知识储备。

具有Kagome晶格结构的材料由于其六角网状的特殊几何构形，往往伴随有许多新奇的物理性质，比如量子自旋液体，拓扑绝缘体，狄拉克（外尔）费米子，磁斯格明子等，是目前量子材料领域十分热门的一类材料。

找到更多具有量子特性的材料，弄清楚其物理机理并进一步实现对量子特性的调控，一直以来都是科学家追求的目标。

有鉴于此，美国普林斯顿大学Hasan课题组殷嘉鑫等与中国科学院物理研究所王文洪团队，波士顿学院汪自强团队，中国人民大学卢仲毅团队，北京大学贾爽团队，台湾成功大学Tay-Rong Chang和中央研究院Hsin Lin等紧密合作，结合矢量强磁场与高分辨扫描隧道显微镜发现了强关联kagome磁体Fe₃Sn₂的自旋轨道的巨大量子调控特性。

图1. 扫描隧道显微镜对Fe₃Sn₂表面的原子尺度成像

研究人员发现，Kagome晶格中的一个特殊的电子态与矢量磁场有着极强的具有三维各项异性的耦合，表现出磁化导致的巨大的具有节点的能级位移。通过探测实空间-倒空间的准粒子电子波动的干涉散射信号，他们发现了与节点方向一致的自发相列向---电子强关联的一个显著特征。

尤为奇特的是，通过矢量磁化，研究人员可以进一步调控这个关联量子态，从而调控电子结构对称性。这些自旋变换导致的巨大电子结构变换超越了常规的塞曼效应，并揭示出一个强关联拓扑磁性态。

总之，Kagome磁体中的巨大量子可调性首次揭示了外加矢量磁场，拓扑电子态和向列相的关联相互作用，并开创了在拓扑或量子材料中调控自旋轨道和探索衍生现象的新方法与思路。

图2. 矢量磁化导致的巨大的各向异性的能级位移。

图3. 矢量磁场控制电子结构对称性。

图 4. 矢量磁化导致的能级位移与电子态对称性的关系。

普林斯顿宣传办公室Liz Fuller-Wright女士采访了几位学者对他们工作的评价：

哈佛大学系主任Subir Sachdev：

It is rare that a magnetic field has such a dramatic effect on electronicproperties of a material. In this experiment, it appears that special features of the interactions between electrons on the kagome lattice allows Yin et al to change the directions the electrons are moving simply by rotating a magnetic field. The interplay between electrical current and magnetism is important formany types of computer memories. We are always look for new ways to control magnetic properties with electrical current or vice versa. Yin et al have found another, and perhaps that will have wider impact. Apart from the practical applications I mentioned above, their observations raise fundamental questionson the nature of the coupling between the spin and the orbital motion of electrons on the kagome lattice. It appears that the interactions between the electrons enhance this coupling, and it would be good to have a better theoretical understanding of this.

磁场很少对材料的电子特性产生如此显着的影响。在这个实验中，似乎kagome晶格上电子之间相互作用的特殊特征允许殷等人通过旋转磁场简单地改变电子移动的方向。电流和磁力之间的相互作用对于许多类型的计算机存储器是重要的。我们一直在寻找用电流控制磁性的新方法，反之亦然。殷等人发现了另一个，也许会产生更广泛的影响。除了我上面提到的实际应用之外，他们的观察提出了关于自旋和kagome晶格上电子轨道运动之间耦合性质的基本问题。似乎电子之间的相互作用增强了这种耦合，我期待对这个问题能有更好的理论解释。

加州理工学院物理系教授David Hsieh：

The most striking observation is the spontaneous nematic response that can be tuned by an external magnetic field. The fact that Fe₃Sn₂ exhibits such a large and anisotropic response to external magnetic fields suggests a potential for application in vector magnetometry or other sensing technologies. The instabilities of correlated metals with strong spin-orbit coupling are not well understood and while exotic electronic nematic instabilities have been predicted, experimental realizations have remained scarce. This work mayrealize a platform on which to test such ideas.

最引人注目的观察结果是可以通过外部磁场调节的自发向列响应。Fe3Sn2对外部磁场表现出如此大的各向异性响应这一事实表明其可用于矢量磁力测定或其他传感技术。具有强自旋 - 轨道耦合的相关金属的不稳定性尚未得到很好的理解，并且虽然理论上预测了奇异的电子向列不稳定性，但实验性实现仍然很少。这项工作可能会实现一个测试这些想法的平台。

团队合作：

每一项重要工作的完成，都需要很多人的辛勤付出。这项工作的一个显著特点就是多团队之间的紧密合作。

普林斯顿大学Hasan组在拓扑量子态与先进能谱实验室合影，背景为矢量磁场扫描隧道显微镜。

殷嘉鑫，Sontian S. Zhang, M. Z. Hasan, Daniel Multer, Maksim Litskevich, 常国庆（从左往右顺序）。

M. Z. Hasan团队研究方向定位于用先进能谱手段发现与探索新的拓扑量子态。不同于探求已知问题的答案，他们着眼于探索与发现未被提出的问题。在实验技术上他们一直以角分辨光电子谱研究（动量空间探测电子态）见长。在2014-2015年他们开始投资引入扫描隧道显微镜（实空间探测电子态）实验设备与相关人才（郑浩，边广 2015-2017年 ，殷嘉鑫 2017年-现在 ）。在动量空间研究的经验方法与这次实空间的实验碰撞出了更多智慧的火花。他们的实验方法与数据被审稿人评价为是业内先锋（cutting-edge）。

王文洪团队长期致力于磁性功能新材料的探索研究，他们生长了大尺寸高质量的Fe₃Sn₂单晶，并发现高温多拓扑磁性斯格明子与磁场下输运相应的各向异性。王文洪亲自带领学生李航设计了矢量磁场输运实验，并发现了向列相的输运响应。他们对材料磁性和输运性质的探索和发现为理解关联效应和拓扑电性起到了重要作用。

贾爽团队则采用不同的生长方法制备了高质量Fe₃Sn₂单晶，为验证其关联拓扑态的普适性提供了强力支持。值得注意的是参与此项工作的向成还仅仅是一名北大本科生，贾爽耐心的带领他进行了多次的探索，最终尝试出了这种新方法。他们两个团队的努力工作奠定了此项研究的材料基础。

汪自强团队具有丰富的强关联与拓扑理论研究经验，并对能谱实验数据有着敏锐的洞察力。汪自强和其学生蒋坤的理论建模为文章的理论讨论奠定了基调。为争取时间，汪自强在18年大年夜亲自起笔为文章撰写了理论讨论部分。其精彩的文笔和科学严谨性受到审稿人的高度认可。

卢仲毅团队则调动他们最有经验的人才刘凯和即将面临博士毕业的研究生张冰晶在短时间内充分利用他们的先进的超级计算机对实验现象进行了上百次的第一性原理计算。这些精密的计算不仅对实验现象有着深刻的解读，而且为后来回复审稿人的补充材料打下了坚实的基石。

殷嘉鑫等和他们团队的微信讨论记录就有数千页，团队之间往来邮件数百封。常国庆和廉骉为实验提供了实时的理论帮助，殷嘉鑫和SontianZhang几乎每周都会去他们办公室学习对已有的实验数据的理解和设计下一步实验。Tay-Rong Chang和Hsin Lin则是对其他学者的理论给出了非常多的建设性批评和建议。他们智慧与努力为理解实验的新奇现象奠定了坚实而完备的理论基础。

这些不同风格不同特长的团队间的密切合作与奇妙的化学反应是这项工作能在短期内高质量高效率完成的重要保障。这些团队在不同方向的突出贡献是他们能取得最终突破的必要条件。

殷嘉鑫认为，这些业内顶级科学家的亲力亲为和认真负责的科学态度使他十分感动，和他们高水平的合作尤其使他受益匪浅。博士后期间，他经常与M. Z. Hasan 教授共进午餐交流实验进展，Hasan总是能在更高的层次审视实验数据，精确把握实验方向并给与悉心指导。目前最高级别杂志的接收的工作都需要有general interest (广泛兴趣)。Hasan扎实而广阔的科学视野无疑拔高了这项工作的科学深度和影响力。

同时，他还要感谢中国科学院物理所的两位恩师丁洪和潘庶亨研究员。他们也是国际顶级学者。他一直向丁洪学习敏锐的科学洞察力和与最先峰理论结合的先进思想，向潘庶亨学习严谨的科学作风和对数据质量和分辨率的不懈追求。虽然他们没有参与这项工作，但这些先进的科学方法和理念在这项工作中也有着很好的体现，是他能为这项科学突破做出贡献的重要因素。

作者简介：

本文通讯作者M.Z. Hasan长期从事先拓扑关量子态的基础研究，在拓扑绝缘体，拓扑磁体，拓扑半金属和拓扑超导的研究做出过奠基性贡献。其博后殷嘉鑫为中国科学院2016级博士毕业生，他在博士期间发现Fe(Te,Se)系统中存在具有Majorana性质的零能电导峰，首次揭示了铁基超导体中可能存在的拓扑现象(NaturePhysics 11, 543 (2015)). 2017年进入普林斯顿后，他在Hasan指导下带领研究生Songtian Zhang对已有扫描隧道显微镜实验仪器和实验技术进行改进后表征了LiFeAs材料在9T-2T-2T矢量磁场和400mK温度下的磁通相图，率先报道了关联超导体对矢量磁场的响应，并开发了矢量磁场下是空间-倒空间电子成像与调控的先进研究方法 (arXiv:1802.10059 (2018))。这些工作为表征与调控Fe₃Sn₂中的关联拓扑量子态奠定了坚实技术与方法基础。

参考文献：

Jia-Xin Yin, Songtian S. Zhang, HangLi, Kun Jiang, Guoqing Chang, Bingjing Zhang, Biao Lian, Cheng Xiang, Ilya Belopolski,Hao Zheng, Tyler A. Cochran, Su-Yang Xu, Guang Bian, Kai Liu, Tay-Rong Chang,Hsin Lin, Zhong-Yi Lu, Ziqiang Wang, Shuang Jia, Wenhong Wang and M. ZahidHasan. Giant and anisotropic spin-orbit tunability in a strongly correlatedkagome magnet. Nature (DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0502-7).

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0502-7