新研究发现调控自旋轨道耦合得到丰富的全局拓扑相图中国科学报

近日，中国科学院理论物理研究所副研究员张田田团队以IAMX（IA-碱金属元素，M-稀土元素，X-碳族元素）家族材料为对象，系统研究了其拓扑性质，并提出有效模型，揭示了SOC（自旋轨道耦合）强度在这种三维堆叠蜂窝-笼目材料中可以作为连续调控拓扑物态的关键自由度。相关研究发表在《物理评论B》研究论文，并被选为编辑推荐。

笼目材料是近年来凝聚态物理领域的一大研究热点。这类材料能展现出丰富多彩的物理现象，因此，被视为探索拓扑量子态的重要平台。不过，许多典型笼目材料在实际中表现出较强的金属性，掩盖了它们本应具有的理想拓扑性质，“淹没”了量子态，使得科学家难以清晰识别其中的物理机制，也不容易进行有效调控。

为了突破这一瓶颈，研究人员最近提出了二维和三维的堆叠蜂窝-笼目结构，为获得理想的拓扑态提供了新的材料平台。然而，目前的相关工作大多基于无自旋近似，尚未系统回答一个关键问题：自旋轨道耦合究竟如何驱动这类材料中的拓扑相变，并影响其表面态的演化？这也正是当前研究需要进一步突破的方向。

张田田团队研究发现，在无SOC极限下，IAMX家族可表现为节线半金属；随着SOC增强，体系可依次经历从节线半金属到强拓扑绝缘体，再到临界无隙态，最终进入外尔半金属的拓扑相变过程，从而形成丰富的全局拓扑相图。与此同时，材料的表面态也随之发生连续演化。

为验证该有效模型的正确性，研究人员进一步结合第一性原理计算与紧束缚模型，对三种具有不同SOC强度的代表性材料LiYC、LiNdGe和KLaPb进行了系统分析，发现它们分别对应弱、中、强SOC区间下的不同拓扑相，分别落在统一相图中的不同区域，与模型预测严格一致，从而表明IAMX家族为研究SOC驱动拓扑相变及表面态重构提供了一类理想的材料平台。

这项研究为理解笼目材料中SOC驱动的拓扑相变提供了一张“地图”，让科学家有了“按图索骥”的参考，比如通过化学掺杂、元素替换或同位素调控实现拓扑相工程。此外，研究还加深了对堆叠蜂窝-笼目体系拓扑电子结构的认识，也为设计具有可调表面态和多重拓扑功能的量子器件提供了理论基础。