新型拓扑材料和拓扑相变的发现对于推动凝聚态物理和材料物理的发展具有重要意义。其中，具有非平庸能带交叉的拓扑材料，包括具有二重简并能带交叉的外尔半金属和具有四重简并能带交叉的狄拉克半金属等，表现出奇异的表面态和新奇的量子效应，比如三维霍尔效应、手征反常磁电阻及强二次谐波等。同样具有非平庸能带交叉的沙漏型表面态位于沙漏状色散颈部的顶点，其独特的色散特性意味着新奇的拓扑物相和拓扑特性，比如沙漏型外尔点、节点链及节点网络等。迄今为止，理论预测的具有沙漏型表面态的候选材料由于空气敏感、杂带色散和解理困难等问题，尚未得到实验验证。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室A02组研究生陈洪祥（已就职于福建工程学院）、陈龙、王刚研究员和陈小龙研究员，与凝聚态理论与材料计算重点实验室T03组博士生高嘉成和翁红明研究员、极端条件物理重点实验室EX7组钱天研究员、表面物理国家重点实验室SF9组陈岚研究员、上海交通大学物理与天文学院马杰教授、美国橡树岭国家实验室叶峰博士及中国科学院物理研究所先进材料与结构分析实验室A04组张庆华副研究员、中国人民大学刘娟娟博士、汪晋辰博士和南方科技大学盛洁明博士等合作，设计并生长出正交相ErAsS单晶，结合理论计算和角分辨光电子能谱（ARPES）证实其为潜在的具有沙漏型表面态的拓扑晶体绝缘体。
该材料可认为是在二维As层间插入ErS层，利用X射线单晶衍射和高分辨球差电镜，证实ErAsS的空间群为Pnma (No. 62)，二维As层内的As原子因为畸变形成zig-zag链。利用中子衍射谱仪CORELLI结合磁性测量确定了ErAsS的磁结构转变：在10 K为顺磁相；在3.27 K以下为具有磁波矢(0.5, 0, 0.5)的共线反铁磁相，磁空间群为Pa21/m (No. 11.55)，磁胞沿着a轴和c轴方向分别扩大两倍，易磁化轴是b轴；在反铁磁和顺磁相之间存在正弦波调制的非公度磁结构，磁波矢为(0, 0, 0.47)。
图1. 单晶中子衍射确定的ErAsS磁结构转变。
理论计算表明ErAsS在费米面附近具有大能量尺度的线性色散和能带交叉，并在自旋轨道耦合的作用下打开带隙（约100meV）。进一步分析表明ErAsS在顺磁态下具有滑移面保护的沙漏型表面态和螺旋轴保护的高阶棱态，属于拓扑不变量Z4 = 2的拓扑晶体绝缘体。ARPES实验观测到的能带结构与理论预测结果相一致。相比于其它可能具有沙漏型表面态的候选材料，ErAsS具有稳定、无杂带色散及易解离等优势，有望成为实验研究沙漏型表面态及其输运特性的理想材料平台。考虑到存在磁结构转变和磁涨落特性，基于畸变四方二维As层结构基元的材料极有可能成为实现陈绝缘体或量子反常霍尔绝缘体的候选体系。
图2. ErAsS顺磁相的能带结构。
图3. 沙漏型表面态及磁性调制的各种拓扑物相。
本工作得到国家自然科学基金重点和面上项目、国家重点研发计划项目、中国科学院前沿科学重点研究计划项目和中国科学院战略性先导科技专项的支持。相关成果近期发表在Advanced Materials 34(31) 2110664 (2022)。
H. X. Chen, J. C. Gao, L. Chen, G. Wang, H. Li, Y. L. Wang, J. J. Liu, J. C. Wang, D. Y. Geng, Q. H. Zhang, J. M. Sheng, F. Ye, T. Qian, L. Chen, H. M. Weng, J. Ma, X. L. Chen, Topological crystalline insulator candidate ErAsS with hourglass fermion and magnetic-tuned topological phase transition, Adv. Mater. 34(31) 2110664 (2022).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202110664