科研进展 | 殷志平课题组发现电子关联效应可驱动费米弧拓扑重构

费米弧是外尔半金属最具标志性的拓扑表面电子态。它不仅是材料拓扑性质的直接体现，还与非传统量子振荡、超强共振峰、手征磁效应和各向异性光电导等物理性质密切相关。然而，调控费米弧的有效方法却很少被探索，特别是在关联材料中。近日，北京师范大学物理与天文学院殷志平课题组以磁性外尔半金属Co3Sn2S2为研究对象，系统揭示了电子关联效应对费米弧拓扑连接方式的关键调控作用。

研究团队结合密度泛函理论与动力学平均场理论方法（DFT+DMFT），首先从计算上成功再现实验测得的光电导率和能带结构。同时发现相比传统DFT计算，考虑电子关联后的DFT+DMFT能够更准确描述Co3Sn2S2的低能电子结构及其物理响应。进一步的研究表明，电子关联效应对费米能级附近的低能能带进行重整化，改变了外尔点的能量与动量位置，并最终重塑费米弧的连接方式和拓扑形貌。

图1 电子关联对Co3Sn2S2中光电导以及费米弧连接方式影响示意图。(a) 晶体结构；(b) DFT、DFT+DMFT以及实验光电导结果；(c) 费米弧连接方式随关联强度的演化

值得注意的是，在Co终止表面上，DFT+DMFT计算结果与扫描隧道显微镜（STM）实验均显示，费米弧连接的是位于相邻布里渊区的外尔点；而传统 DFT计算中费米弧则连接了同一布里渊区内的外尔点。进一步地，研究团队还通过构造不同关联强度之间的插值哈密顿量，追踪了费米弧随关联效应强度增强而发生的拓扑重连过程，并预测在更强关联条件下，Sn终止表面的费米弧也会发生拓扑连接方式转变。这说明尽管Co3Sn2S2只具有中等强度的电子关联效应，但是它却能够改变其费米弧表面态的拓扑连接方式。这打破了中等强度电子关联效应不影响材料的拓扑性质的刻板印象。

图2 Co3Sn2S2中不同关联强度下，能带以及不同解离面费米弧连接方式演化图。(a-d): 不同关联强度下的外尔点间能带结构变化；(e-h) Co解离面上费米弧随关联强度演化图；(c) Sn解离面上费米弧随关联强度演化图。图中红色圆点（绿色方块）代表手性为＋（-）的外尔点，红色方框表示费米弧连接方式演化中的过渡态。

该工作建立了电子关联效应与费米弧拓扑特征之间的直接联系，为理解关联外尔半金属中的表面态演化提供了新的物理图像，也为实验上通过能带结构工程调控拓扑表面态及相关电子性质提供了理论依据。

相关成果以“Correlation-tuned Fermi-arc topology in a Weyl ferromagnet”为题发表于 Newton。论文第一作者为北京师范大学物理与天文学院2025届博士毕业生彭怡然，殷志平教授是该论文的通讯作者。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950636026000812
       https://doi.org/10.1016/j.newton.2026.100479