前期人們主要利用角分辨光電子能譜和掃描隧道譜對Co₃Sn₂S₂進行研究，但這些研究手段主要局限在樣品表面少數幾層，而紅外光譜中的紅外光具有較大的穿透深度，可以探測到體内電子的行為。通過實驗測量和計算模拟光電導譜σ₁(ω)，我們可以在較寬的能量和溫度範圍内獲得體内電子的價帶、導帶及躍遷等關鍵信息，對以往的譜學研究是一個重要的補充和拓展。物理所邱祥岡研究員指導的博士生楊潤、廖知裕與翁紅明研究員指導的博士生張坦和周麗琴等合作，在大尺寸高質量Co₃Sn₂S₂單晶樣品中，測量了其從4meV到5 eV溫度依賴的光電導譜σ₁(ω)，并利用第一性原理計算了Co原子上不同局域磁矩狀态下的能帶結構和光電導譜。實驗與計算結果一緻，解釋了光電導譜中随溫度變化和不随溫度變化的信号的微觀能帶起源和機制。随着溫度降低，Co₃Sn₂S₂進入鐵磁态，逐漸增強的磁化使得增強的交換劈裂不斷平移自旋極化的能帶，導緻費米面減小（自由載流子對光電導貢獻減小），外爾點和自旋軌道耦合打開的非平庸能隙逐漸靠近費米能級（溫度依賴的低能光電導峰），從而使得Berry曲率在布裡淵區的積分逐漸增大。由于Berry曲率在布裡淵區的積分正比于反常霍爾電導，因此可以很好地解釋Co₃Sn₂S₂中反常霍爾電導随溫度降低而逐漸增大的行為。

該研究不僅讓我們理解了磁性外爾半金屬Co₃Sn₂S₂中磁性對拓撲能帶的影響，并且可以指導我們通過調制材料的磁性（在Co位上摻雜更大磁矩的原子）和化學勢 （場效應或離子液體調控），在更高的溫度下獲得更大的反常電/熱輸運性質，更好的磁光效應等。相關工作發表于Phys. Rev. Lett. 124,077403 (2020)。

以上工作得到國家自然科學基金委、科技部、王寬誠教育基金會、北京科學技術委員會和北京自然科學基金會等的支持。

圖一：反射率測量示意圖（左）和測得的溫度依賴的反射率（右）。

圖二：Co₃Sn₂S₂溫度依賴的電阻率(a)，磁化率(b)，光電導(c)以及光電導的譜重(c)（相對于300K歸一化）表明Co₃Sn₂S₂在177K以下進入鐵磁态，并且随着溫度的降低光電導表現出明顯的溫度依賴。

圖三：（a-c）第一性原理計算得到的Co原子上不同有效磁矩下對應的能帶結構。（d）和（e）分别為順磁态和鐵磁态的費米面。（f）中實線模拟了不同磁性狀态下的光電導譜并與實驗結果（虛線）做對比。

編輯：Kun

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