相變行為普遍存在于物質(zhì)世界，是材料學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)領(lǐng)域的基本現(xiàn)象和重要課題。在相變過程中，不同物態(tài)互相轉(zhuǎn)化，并伴隨著豐富的臨界現(xiàn)象。絕大多數(shù)情況下，相變可以由以序熱阻為自由度的朗道理論完美描述，其核心精神是局域對稱性的自發(fā)破缺。諸如，磁相變是一類以磁化硬度為局域序熱阻的朗道相變。與之相對比，拓?fù)?/a>相變則由描述全局對稱性的拓?fù)洳蛔兞窟M(jìn)行描畫，而難以運(yùn)用傳統(tǒng)的朗道理論來描述。為此拓?fù)湎嘧?/strong>，拓?fù)湮飸B(tài)之間的相變，包括新奇粒子的形成可能并不伴隨實(shí)空間中的結(jié)構(gòu)對稱性變化。進(jìn)一步地，當(dāng)拓?fù)湎嘧?/strong>伴隨有時間反演對稱性的改變時，拓?fù)湎嘧?/strong>與磁相變關(guān)聯(lián)在一起，促使非傳統(tǒng)的拓?fù)湎嘧?/strong>與精典的朗道相變發(fā)生糾纏。這除了會形成新的基本物態(tài)演變和耦合方式，也會為通過磁性/磁場的變化來調(diào)控拓?fù)湮飸B(tài)提供了可能。
Weyl半金屬是近些年發(fā)覺的一種拓?fù)錅?zhǔn)粒子態(tài)，可以存在于時間反演或空間反演破缺的體系中【延伸閱讀：實(shí)驗(yàn)發(fā)覺外爾費(fèi)米子、新型磁性Weyl半金屬的發(fā)覺及其巨反常霍爾效應(yīng)、時間反演對稱破缺-磁性Weyl半金屬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)】。對于磁性Weyl體系，當(dāng)時間反演對稱性恢復(fù)后，或則非磁性Weyl體系恢復(fù)中心反演對稱性后，假如依然保持能帶反轉(zhuǎn)特點(diǎn)，則有可能轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浣^緣體，并伴隨Weyl點(diǎn)湮沒的拓?fù)湎嘧?/strong>。為此，一對手性相反的Weyl點(diǎn)的湮沒有兩種形式，一種是非磁性Weyl半金屬中的“帶內(nèi)”（指一組交叉能帶）湮沒；另一種是磁性Weyl半金屬中的“帶間”（指兩組載流子相反的交叉能帶）湮沒，如圖1示意。前一種過程須要恢復(fù)中心反演對稱性，不容易觸發(fā)；而后一種過程因?yàn)楹腕w系的磁性相關(guān)，可以借由抑制磁性的形式恢復(fù)體系的時間反演對稱性，從而誘發(fā)相應(yīng)的拓?fù)湎嘧?/strong>。
繼磁性Weyl半金屬被發(fā)覺以來，其拓?fù)鋺B(tài)對基本電、熱、光等物性的影響，以及其磁性和拓?fù)湮镄缘鸟詈系玫搅藦V泛的研究【延伸閱讀：磁性外爾半金屬中局域無序誘發(fā)的拓?fù)淠軒д{(diào)制效應(yīng)、磁性外爾體系巨反常霍爾效應(yīng)的內(nèi)/外稟雙機(jī)制設(shè)計、紅外波譜研究磁性外爾半金屬中電子關(guān)聯(lián)造成平帶取得進(jìn)展、外爾費(fèi)米子與鐵磁載流子波共舞、在磁性外爾半金屬中首次提出“自旋軌道極化子”概念】。該磁性拓?fù)潴w系的出現(xiàn)為磁性拓?fù)湎嘧?/strong>提供了可選的平臺。有研究表明，施加等靜壓可影響體系的磁性和拓?fù)渲鲗?dǎo)的反常霍爾效應(yīng)。與氣溫誘發(fā)的相變不同，壓力對體系磁性和拓?fù)湮镄缘挠绊懣梢园l(fā)生在較低濕度，受熱擾動的影響較小，可以觀察到愈發(fā)本征的拓?fù)湎嘧?/strong>過程（如圖1(c)示意）。
中國科大學(xué)數(shù)學(xué)研究所/上海匯聚態(tài)化學(xué)國家研究中心的劉恩克研究員主要從事磁性拓?fù)渑c磁性相變材料研究。實(shí)現(xiàn)了首個磁性外爾費(fèi)米子拓?fù)浒虢饘?strong>拓?fù)湎嘧?/strong>，提出了全過渡族合金新家族，發(fā)覺了磁相變材料的“居里氣溫窗口”效應(yīng)。近來，中國科大學(xué)數(shù)學(xué)研究所/上海匯聚態(tài)化學(xué)國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M09課題組博士后曾慶祺和劉恩克研究員等，與北方科技學(xué)院劉奇航副院長課題組、北京高壓中心王永剛研究員課題組等合作，結(jié)合磁相變和拓?fù)湎嘧?/strong>的思路，檢測高壓下的結(jié)構(gòu)、磁性、電輸運(yùn)，并進(jìn)行了高壓下的理論估算，得到了體系拓?fù)潆娸斶\(yùn)性質(zhì)隨壓力的演化過程，實(shí)現(xiàn)了磁性外爾費(fèi)米子態(tài)-非磁性拓?fù)浣^緣體態(tài)的磁性拓?fù)湎嘧?/strong>。隨著等靜壓的施加，體系的居里氣溫由175K日漸升高，Hall曲線回滯特點(diǎn)日漸減緩直到消失（圖2），表明體系在常壓下的鐵磁性漸漸被抑制。考慮了面內(nèi)反鐵磁份量的估算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)檢測所得反常Hall濁度的變化和趨勢可以挺好地吻合（圖3），說明施加壓力的過程中，體系在面外鐵磁性的基礎(chǔ)上還出現(xiàn)了面內(nèi)的反鐵磁份量。實(shí)驗(yàn)和估算結(jié)果表明，經(jīng)由上述非線性磁結(jié)構(gòu)的中間狀態(tài)，體系在40GPa高壓下載流子極化消失（時間反演對稱恢復(fù)），轉(zhuǎn)變?yōu)檩d流子簡并的Pauli順磁態(tài)（圖3，圖1）。對順磁態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)定義彎曲的費(fèi)米基態(tài)可以得到體系的拓?fù)鋽?shù)Z2=1，表明該順磁態(tài)具有拓?fù)涮攸c(diǎn)，是“廣義的”拓?fù)浣^緣體態(tài)（圖1）。圖4為Weyl點(diǎn)在加壓過程中的聯(lián)通軌跡。可以看見，來自不同載流子通道的手性相反的Weyl點(diǎn)在高壓下相遇，從而成對湮沒。
以上電輸運(yùn)檢測和第一性原理估算表明，等靜壓誘發(fā)體系的磁性拓?fù)湎嘧?/strong>，驅(qū)動面外鐵磁性Weyl半金屬經(jīng)由具有面內(nèi)反鐵磁份量的磁性Weyl態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)檩d流子簡并的Pauli順磁拓?fù)浣^緣體態(tài)。同時Weyl點(diǎn)的湮沒表現(xiàn)出不同載流子通道的帶間湮沒新方式，與往年的中心反演破缺Weyl體系中的帶內(nèi)湮沒不同。近來，該體系的這一拓?fù)湎嘧?/strong>在常壓下居里氣溫附近也被變溫角區(qū)分光電子能譜實(shí)驗(yàn)所否認(rèn)【Phys.Rev.B104(2021)】。
本工作實(shí)現(xiàn)了磁性外爾材料中存在的磁性拓?fù)湎嘧?/strong>，闡明了壓力及濕度作為物相空間的兩個自由度可對拓?fù)浯艠O的拓?fù)湮飸B(tài)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，并有望推動磁性拓?fù)潴w系的拓?fù)湮飸B(tài)和物性調(diào)控的進(jìn)一步研究。相關(guān)內(nèi)容以“‐‐PhaseinaWeyl”為題名發(fā)表在刊物上。
該工作得到了基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心、科技部重點(diǎn)研制、中科院先導(dǎo)（B）、中科院重大科研儀器研發(fā)等項目的支持。
相關(guān)工作鏈接：
圖1Weyl半金屬的拓?fù)湎嘧?/strong>
圖2Hall響應(yīng)隨壓力的演化
圖3(a)分子磁矩和反常Hall濁度隨壓力的變化。Exp.代表實(shí)驗(yàn)檢測值。(b)零壓下的能帶結(jié)構(gòu)，對載流子做Sz投影可以分辨不同的載流子通道。(c)高壓抑制自發(fā)磁化后體系的能帶結(jié)構(gòu)。
圖4Weyl點(diǎn)的kz份量隨壓力的演化
