近日，上海交通大學李政道研究所&物理與天文學院&張江高等研究院副教授呂佰晴、上海交通大學李政道研究所&物理與天文學院教授丁洪、中國科學院上海高等研究院研究員黃耀波、華東師范大學研究員商恬、上海交通大學物理與天文學院副教授譚恒心、美國波士頓學院教授汪自強以及中國科學院物理研究所研究員何倫華等國內(nèi)外團隊聯(lián)合，在新型反鐵磁籠目金屬材料TbTi?Bi?中取得重要進展。他們首次直接觀測到一種奇特的軌道選擇性雙周期調(diào)制現(xiàn)象：在反鐵磁態(tài)下，材料中的不同電子軌道會“分工協(xié)作”，以特定波矢（~1/3, 0.28, 0）重構(gòu)電子能帶結(jié)構(gòu)，并且該重構(gòu)造成了拓撲相變，在特定動量處形成了狄拉克錐。這一發(fā)現(xiàn)揭示了磁性產(chǎn)生的全新微觀機制，并為理解該材料中神秘的三分之一磁化平臺現(xiàn)象提供了關(guān)鍵鑰匙。相關(guān)成果已發(fā)表于國際一流期刊《物理評論X》【Physical Review X, 15, 031012 (2025)】。

研究團隊綜合利用角分辨光電子能譜（ARPES）、中子粉末衍射（NPD）、掃描隧道顯微鏡(STM）等多維度實驗手段，并且結(jié)合密度泛函理論（DFT）計算發(fā)現(xiàn)，當材料冷卻到約20.4 K以下的反鐵磁態(tài)時，其電子結(jié)構(gòu)發(fā)生高度各向異性的雙周期調(diào)制：沿平行（a軸）以及垂直（b軸）于鋱原子鋸齒鏈方向分別出現(xiàn)波矢為1/3 a*和0.28 b*的費米面嵌套失穩(wěn)以及相應的能帶折疊（圖一和圖二）。并且，a*方向能隙是b*方向能隙的3倍，呈現(xiàn)出高度各向異性。STM測量排除了電荷密度波的可能，確認其來自于反鐵磁性。中子衍射結(jié)果進一步證實了在反鐵磁相變溫度之下，TbTi3Bi4出現(xiàn)了（1/3 a*, 0.28 b*, 0）的磁性結(jié)構(gòu)調(diào)制，表明這種磁性調(diào)制是由費米面嵌套誘導的RKKY相互作用形成的（圖三）。值得注意的是能帶折疊的連鎖反應是在布里淵區(qū)邊界處誘導出對稱性保護的狄拉克錐結(jié)構(gòu) [圖一 (b）]，這標志著反鐵磁態(tài)下發(fā)生了一次由磁相變驅(qū)動的拓撲相變。

理論計算清晰地指出，這種高度各向異性的雙重調(diào)制主要由鋱原子的特定5dxz電子軌道驅(qū)動（圖四）。該軌道在費米面特定區(qū)域（沿A-L?方向）高度集中，其不穩(wěn)定性引發(fā)了費米面嵌套，最終導致了觀測到的各向異性的反鐵磁有序（1/3 a*, 0.28 b*, 0）。

TbTi?Bi?因其在磁場下展現(xiàn)出獨特的三分之一磁化平臺而備受關(guān)注。本研究提出的軌道選擇性各向異性雙重調(diào)制模型和相應的反鐵磁結(jié)構(gòu)為此提供了合理解釋。由于TbTi3Bi4在平行以及垂直于準一維鋱原子鋸齒鏈的能隙的強烈各向異性，1/3 a*反鐵磁序在外場下更穩(wěn)定，由此形成占據(jù)主導地位的3a 周期的單向反鐵磁序?；?a周期的磁矩翻轉(zhuǎn)模型，可以自然地解釋1/3分數(shù)磁化平臺的形成（圖五）。并且在磁矩翻轉(zhuǎn)過程中由于散射的產(chǎn)生，電阻率等將發(fā)生劇烈變化，與實驗觀測一致。

該工作首次清晰揭示了電子軌道自由度如何選擇性地與局域磁矩耦合，證明通過設計各向異性結(jié)構(gòu)（如插入準一維鏈）可以增強軌道選擇性，進而調(diào)控磁性（如誘導特定波矢的磁有序、分數(shù)磁化平臺）。這為開發(fā)新型磁性量子材料（如更穩(wěn)定的磁斯格明子、新奇拓撲態(tài)）提供了全新思路。

上海交通大學李政道研究所/中國科學院物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士生張任杰，華東師范大學博士生余博丞，上海交通大學物理與天文學院副教授譚恒心，中國科學院上海高等研究院/上海交通大學李政道研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士生程以偉為該論文共同第一作者。上海交通大學李政道研究所/物理與天文學院/張江高等研究院副教授呂佰晴，中國科學院高等研究院研究員黃耀波，華東師范大學研究員商恬為該論文的共同通訊作者。本工作得到了科技部、國家自然科學基金委員會以及上海市政府等單位的支持。