科研进展 | 刘德发课题组与合作者在呼吸型笼目晶格磁性外尔半金属中实现了自旋驱动的拓扑物态调控

拓扑量子材料和自旋电子学是当前凝聚态物理的研究前沿。在传统非磁性拓扑材料中，外尔点（Weyl points）在动量空间中的位置通常是固定的，难以通过外场进行调控。近年来，磁性与拓扑的深度耦合为这一困境打开了突破口, 磁矩的引入打破了时间反演对称性，使外磁场成为驱动拓扑能带演化的有效“旋钮”。然而，兼具优异拓扑性能和易于操控的理想磁性拓扑平台仍然十分稀缺。

近日，北京师范大学物理与天文学院刘德发教授团队联合中国科学院物理研究所刘恩克研究员团队，在磁性拓扑态调控方面取得了重要进展。研究团队以新型呼吸型Kagome晶格LaCrGe₃为研究对象，揭示了呼吸型晶格对称性破缺对拓扑态的增强效应, 相较于常规Kagome晶格，该材料中外尔点对数量由6对增至12对，且能带交叉更靠近费米能级，为外场调控提供了理想平台。

研究团队利用角分辨光电子能谱（ARPES）直接观测到了LaCrGe3中具有线性色散的外尔点，其能带结构与第一性原理计算结果高度吻合，从电子结构层面直接证实了该材料的磁性外尔半金属态。温度依赖的ARPES测量还表明，该材料在磁相变附近存在清晰的能带劈裂，为磁有序与拓扑态的耦合提供了直接谱学证据。

在确认拓扑态的基础上，研究团队进一步利用外加磁场实现了自旋旋转对外尔拓扑态的可逆调控。由于LaCrGe₃磁易轴沿c轴，当旋转外磁场使磁矩由c轴向a轴转动时，外尔点随偏转角α发生移动并依次湮灭。该自旋重取向重构了贝里曲率分布，使反常霍尔电导率呈非单调角度响应：0°~45°基本不变，45°~90°急剧下降且偏离cosθ几何投影，表明其源于能带本征演化。特别地，θ=87.5°时霍尔电导率曲线出现尖峰，对应从多磁畴单磁化到自旋连续旋转的完整过程，理论与实验高度吻合。

该工作在LaCrGe3体系中有效地实现了外尔拓扑态的外场可逆调控, 通过旋转磁场改变磁矩方向，即可驱动外尔点在动量空间中的移动和湮灭，并同步调控反常霍尔效应。这种“自旋-拓扑-输运”的耦合调控模式，为发展基于拓扑物理的下一代自旋功能器件（如场可调拓扑自旋电子学器件）提供了重要的物理基础与材料平台。

相关成果以“Spin-Orientation Modulation of Topology and Transport in a Breathing-Kagome Weyl Magnet” 为题于2026年8月6日发表于Advanced Materials. 中国科学院物理研究所博士刘洋，博士后刘俊艳，北京师范大学博士牟家民为并列第一作者。北京师范大学物理与天文学院刘德发教授与中国科学院物理研究所刘恩克研究员为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划以及北京师范大学等经费的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74402

图1 LaCrG3的外尔点谱学证据及其自旋取向调控：a，ARPES实验（左图）与DFT计算（右图）能带结构对比；b，B ⊥ I 和 B // I条件下的磁电导曲线；c，贝利曲率积分随磁矩转动的变化；d，实验测量反常霍尔电导和理论计算的内禀反常霍尔电导与磁场转角的依赖关系。