强磁场下磁性拓扑量子材料AMnPn2（A = Ca, Sr, Ba，Eu; Pn = Sb, Bi）的基态调控和多种量子态间耦合机制研究

The interplay among various quantum states is one of the hottest topics in condensed matter physics. Magnetic topological quantum materials, due to the coexistence of intrinsic magnetic order and topological electronic structure, are an ideal platform to study the correlation effects and topological electronic properties. Meanwhile, by using chemical doping, high pressure and intense magnetic field as experimental tools, the magnetic topological materials are also very suitable for exploring new quantum states and studying of the origin and the interplay among different quantum states. Therefore, we propose to focus on the recently discovered magnetic topological quantum materials AMnPn2, and aim to address the following important scientific issues: (1) We will use the techniques of chemical doping and pressure to tune the crystal structure and the ground states of samples, and simultaneously study the band structure by quantum oscillations under high magnetic field as well as band structure calculations, to investigate the dependence of the topological band structure on the crystal structure and the magnetic ordering; (2) Through comparative study of the band structures among AMnPn2 compounds with different magnetic configurations, we will try to find the relationship between the Dirac/Weyl spectrum and the magnetic configurations; (3) We will search for new quantum states in magnetic topological quantum materials via extreme conditions such as chemical doping, high pressure, and high magnetic field. We will further investigate the origin and the interplay for these quantum states. We expect the implementation of the current project can provide clues and experimental support for a deeper understanding of the origin and the interplay among different quantum states in magnetic topological materials.

多种量子态之间的相互作用研究是凝聚态物理和材料科学共同关注的焦点之一。磁性拓扑量子材料由于磁有序与拓扑电子结构共存，是研究多体问题和拓扑量子序的极佳载体。同时，磁性拓扑量子材料也适合于通过掺杂、高压、强磁场调控产生新型量子态，进而探究多种量子态起源及其相互关联。本项目拟针对新发现的磁性拓扑量子材料AMnPn2(A=Ca,Sr,Ba,Eu; Pn=Sb,Bi)，重点开展以下几个方面的研究：（1）通过掺杂、高压调控样品的晶体结构和基态，利用强磁场量子震荡和能带计算获得样品的能带结构信息，研究晶体结构、磁有序类型对磁性拓扑量子材料拓扑电子结构的影响规律；（2）通过对比不同磁有序结构样品的电子结构，揭示磁有序结构与Dirac/Weyl费米子形成之间的关联；（3）利用掺杂、超高压、强磁场调控样品的基态，研究多种量子态的起源和关联。项目将对理解磁性拓扑量子材料中量子态的起源和相互作用问题具有参考价值。

本项目重点研究了“112”型 AMnPn2（A = Ca, Sr, Ba, Eu, Yb; Pn = Sb, Bi）化合物和“11”型磁性稀土单铋/锑化合物 REBi/Sb（RE= Ce, Pr, Nd, etc.）两个体系的磁性拓扑量子材料，我们制备了多种上述两类磁性拓扑量子候选材料，并系统研究了其中可能的拓扑电子态、磁性与拓扑电子态之间的相互作用、高压相变、以及超导等其他量子态与拓扑电子态之间的关联。（1）我们通过磁场下的量子震荡实验证实了“112”型化合物中能带结构的拓扑非平庸性，而在“11”型化合物中，我们普遍地观察到了磁电阻的XMR效应，通过系统的电输运测量分析，我们总结出在“11”型化合物中电荷空穴补偿效应在XMR的产生上扮演着重要的角色。（2）我们对两类磁性拓扑量子候选材料都进行了高压调控，在“112”型化合物SrMnSb2中高压并没有产生明显的结构和电子态相变，而在“11”型化合物YBi中，我们通过高压调节产生了超导相变，而且我们的第一性原理计算指出YBi中的电子表面态也存在拓扑非平庸特征，更有趣地是，高压相图中存在明显的超导和XMR共存，这表明YBi可能是一个稀有的存在超导和拓扑非平庸电子态耦合的体系。（3）我们系统研究了多种“112”型和“11”型化合物中的磁相变、拓扑电子态等物性。在112“型”化合物NdPd1-δBi2中，我们发现了反铁磁和超导的共存，以及Pd位空缺对该化合物体超导的产生有重要的影响；在“11”型化合物HoBi、CeSb、ErBi、LuBi、HoSb中，我们系统研究了其中的磁性和拓扑电子态，通过热力学性质以及能带结构的研究，揭示材料的拓扑性质、费米面结构及其与物性的关系、磁相变附近的物态变化之间的关系和表达形式。本研究将有助于人们更好地认识磁性拓扑量子材料中非平庸电子态的起源以及时间反演破缺在新物态方面的作用。. 在本项目资助下，课题组发表论文40篇，其中被SCI 收录38篇，培养研究生8名。项目投入54万元，支出17.0242万元，各项支出基本与预算相符，剩余经费36.9758万元，剩余经费计划用于后续研究支出。