image: (a) RETi3Bi4的晶体结构。(b) RETi3Bi4的第一布里渊区及二维投影表面。(c)-(e) 对于(c) EuTi3Bi4, (d) GdTi3Bi4, and (e) SmTi3Bi4的光学图像及对应的原子力显微镜薄层扫描谱。(f)–(h) 对于(f) EuTi3Bi4(2 K, 5 K, 10 K, 15 K, 20 K and 50 K, H//c), (g) GdTi3Bi4(2 K, 5 K, 10 K, 15 K, 20 K and 50 K, H//c) 及 (h) SmTi3Bi4(3 K, 5 K, 10 K, 15 K, 20 K and 30 K, H//ab 面)的磁化曲线。 view more
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笼目晶格由角共享三角形组成的独特二维晶格结构，该结构的特点是能带色散中同时存在狄拉克费米子，平带和范霍夫奇点。当与磁性相结合，笼目晶格还会产生磁阻挫、新型拓扑物态等丰富的物理现象。因此笼目晶格在磁学、拓扑物理、强关联物理等领域吸引了大量的关注。尽管目前已经有很多具备笼目晶格的材料被广泛研究，但多数材料是具有强层间耦合的非层状块体材料，其强层间耦合不仅破坏了本征二维笼目晶格性质，还对制备薄层器件，特别是原子级薄层器件造成了技术困难，不利于笼目晶格本征性质的实验探索。RV3Sb5家族（R为钾、铷、铯）是为数不多的弱层间耦合层状笼目晶格材料，但遗憾的是由于这一体系没有磁性，其研究仍局限于超导、电荷密度波等强关联领域。综上，寻找到一种既具有磁有序，同时又具备弱层间相互作用的二维特性笼目晶格磁性材料将对进一步研究笼目晶格物理性质及新奇磁性关联拓扑性质具有重要意义。
南京大学团队在钛基笼目晶格磁性材料RETi3Bi4（RE = Sm, Eu, Gd）家族中，发现由于相邻RE/Bi层的层间相互作用较弱，RETi3Bi4可通过机械剥离的方式得到较大面积的薄层样品，其厚度可低至5 nm（对应4个原子层），这为笼目晶格材料的原子级薄层器件探索提供了条件。同时理论计算也支持以EuTi3Bi4为代表的RETi3Bi4具有较弱的层间相互作用。由于Ti与Bi元素不提供磁性，该系列笼目晶格材料的磁性仅由稀土元素提供，因此通过进一步的磁性测量表明，该体系可以通过改变稀土元素对样品的磁性进行调节。当稀土元素分别为Eu, Gd, Sm时，RETi3Bi4分别呈现面外铁磁性，面外反铁磁性以及面内铁磁性(如图1(f)-(k))。进一步，研究团队以EuTi3Bi4为例对该体系的能带结构进行了第一性原理计算，其结果表明其中具有狄拉克锥、平带、以及范霍夫奇点，这三个特征表明该体系能带结构具备典型的笼目晶格特点(如图2(a)-(c))。角分辨光电子能谱的表征结果与第一性原理所计算能带相一致，狄拉克锥、平带、范霍夫奇点等笼目晶格典型特征也均被指认(如图2(g))。进一步通过对比EuTi3Bi4、GdTi3Bi4及SmTi3Bi4的角分辨光电子能谱，研究团队还观察到可以通过改变稀土元素，实现对RETi3Bi4能带结构的调节，特别是对于体系费米面位置的调控(如图2(g)-(i))。其调控效果中最值得注意的是对于GdTi3Bi4，狄拉克点和范霍夫奇点均可被调至费米面附近(如图2(h))。这对于进一步探究磁性笼目晶体的拓扑性质具有重要意义，也为进一步探究薄层笼目晶格材料的本征性质奠定实验基础。
南京大学博士研究生郭静文、中科院物理所周丽琴博士、中科院上海微系统与信息技术研究所博士研究生丁建阳为该工作的共同第一作者。南京大学功能材料与智能制造研究院费付聪助理教授、中科院物理所翁红明研究员以及南京大学物理学院宋凤麒教授为该工作的共同通讯作者。
该研究还得到了国家自然基金委(Grant Nos. 92161201, T2221003, 12104221, 12104220, 12274208, 12025404, 12004174, 91961101, 61822403, 11874203, 12374043, 11227902)、科技部(Grant No. 2022YFA1402404)、江苏省科技厅(BK20230079)等的联合资助。
研究详情请见原文：
Tunable magnetism and band structure in kagome materials RETi3Bi4 family with weak interlayer interactions
https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.06.036
Journal
Science Bulletin