时间反演对称和能带拓扑的相互作用是拓扑物态研究的关键之一。在时间反演不变体系中，宇称相反的自旋简并能带发生反转会导致非平庸拓扑态的产生，比如量子自旋霍尔效应的实现和狄拉克半金属的发现。而在磁性材料中，磁有序会破缺时间反演对称，宇称相反的自旋劈裂能带发生反转会产生更多新奇的拓扑态，比如量子反常霍尔效应和磁性外尔半金属态，这是当前凝聚态物理领域的前沿热点研究之一。

年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心T03组博士生聂思敏（现为斯坦福大学博士后）、王志俊特聘研究员、翁红明研究员、方忠院士和香港科技大学戴希教授等人通过第一性原理计算和低能有效模型分析，预言EuB6在顺磁态是拓扑平庸的窄带隙半导体，进入铁磁态后，时间反演对称破缺，交换场会导致能带劈裂，自旋向上态的能隙减小而自旋向下态的能隙变大，最终自旋向上的能带发生反转，形成磁性拓扑半金属态（图1e）。在年，Denlinger等人就利用角分辨光电子能谱（ARPES）测量了EuB6的电子结构，实验结果显示在顺磁态的能带结构有约1eV的带隙，与理论计算不符。

图1.EuB6的计算电子结构和磁性质。

中科院物理所EX7组博士生高顺业、钱天研究员和丁洪研究员，EX10组博士后伊长江和石友国研究员，T03组王志俊特聘研究员，中国人民大学博士生徐升和夏天龙教授，丹麦技术大学博士后李航，斯坦福大学博士后聂思敏等合作，利用同步辐射光源ARPES再次对EuB6的电子结构进行了仔细的测量，发现EuB6（）解理面存在Eu和B两种截止面。在Eu截止面上观测到的是悬挂键形成的平庸表面态，与早期的ARPES结果一致。在B截止面上，他们观测到了体态的能带，与理论计算符合（图2）。他们继续测量了B截止面体态能带随温度的变化，观测到伴随铁磁转变发生自旋劈裂和能带反转，在铁磁态形成了时间反演对称破缺的磁性拓扑半金属态（图3）。

图2.顺磁态下Eu截止面和B截止面的ARPES实验结果。

图3.B截止面的温度依赖ARPES实验结果。

与之前实验证实的磁性拓扑半金属材料相比，EuB6磁性拓扑半金属态的电子结构十分理想，能带交叉位于费米能级并且没有其他能带的干扰，有利于相关的拓扑物性的实现和研究，比如在二维极限下EuB6薄膜的量子反常霍尔效应。

图4.铁磁态下B截止面的面内和面外ARPES实验结果。

该研究工作近期发表在上，论文并列第一作者为高顺业（实验测量）、徐升（样品制备）、李航（实验测量）、伊长江（样品制备），共同通讯作者为石友国、夏天龙、钱天。该工作得到了科技部（YFA、YFA、YFA、YFA、YFA），国家自然科学基金委（U、、、U、、、U、），中国科学院（QYZDB-SSW-SLH、XDB、XDB）等项目的支持。

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编辑：dogcraft