磁性与拓扑电子态的耦合是当前凝聚态物理的重要研究方向。交换耦合能够通过磁性调控电子能带结构，实现如拓扑绝缘体、Weyl半金属等多种拓扑态间的转变，为新型量子器件提供重要物理基础。然而，现有磁性拓扑材料普遍存在交换耦合较弱、能带结构复杂以及磁场调控能力有限等问题，限制了拓扑相的有效调控及相关物理机制的深入研究。
近日，复旦大学张成课题组联合宁波东方理工大学、华东师范大学等合作团队，在新型磁性拓扑材料Eu3In2As4中发现了巨大交换耦合效应驱动的磁-拓扑相调控机制。研究发现，该体系在自旋极化过程中，存在巨大的交换耦合诱导的能带调制；结合材料本征的软铁磁特性，实现了磁场强度及方向对拓扑电子态的连续调控，为磁场调控拓扑相变提供了新的材料平台。华东师范大学袁翔团队完成磁红外光谱实验，理论计算工作由宁波东方理工大学周通团队完成。
Eu3In2As4是一种Zintl相磁性材料，其低温基态为反铁磁体。磁化测量表明，该材料仅需约1 T大小的外磁场即可实现沿不同轴向完全自旋极化，展现出优异的软磁特性和磁场可调性。进一步结合磁化曲线及其微分分析，研究团队首次提出材料中存在由两个不等价Eu2+子晶格依次极化形成的2/3亚铁磁中间态，并建立了完整的磁场-温度磁相图，为理解磁场驱动拓扑相变提供了重要实验依据。基于实验建立的磁相图，理论计算揭示了Eu3In2As4丰富的拓扑相演化过程：体系由反铁磁拓扑绝缘体出发，随着磁场增强依次经历2/3亚铁磁态，最终进入铁磁态。在完全极化条件下，材料能够形成仅包含单对Weyl点的理想Weyl半金属；进一步旋转磁化方向，可连续调控Weyl点在动量空间中的位置及节点间距，并在磁场沿c轴时演化为理想节线半金属。借助其本征软磁特性，实现了磁场强度及方向对拓扑电子态的矢量调控。这一结果突破了传统磁性拓扑材料受磁各向异性限制的调控模式，为构筑可编程拓扑电子态提供了新的研究思路。
利用磁红外光谱测试，观测到该体系中高达300 meV、随磁化强度连续变化的光学跃迁能量移动，远远超过传统塞曼效应对应的能量尺度，证明Eu局域4f磁矩与巡游电子之间存在强烈的交换耦合作用，为交换耦合驱动能带重构提供了直接光谱证据，也构建了Eu3In2As4中丰富的磁结构与拓扑能带之间的联系。
图1：Eu3In2As4的磁红外光谱测试结果。
在此基础上，团队进一步开展了磁输运研究。角度依赖的磁阻测量表明，各向异性磁输运行为与磁化过程高度一致，证明交换耦合持续重构低能电子能带。SdH量子振荡测量揭示，体系具有简单且近各向同性的三维费米面，并获得接近π的Berry相，表明体系具有非平庸拓扑电子结构；反常霍尔效应则进一步证实Berry曲率对体系输运性质具有重要贡献，为理论预测的理想Weyl态提供了实验支持。结合磁红外实验与理论分析，研究团队建立了交换耦合驱动能带重构及拓扑相演化的统一物理图像。
图2：铁磁相Eu3In2As4中的SdH量子振荡与反常霍尔效应实验，及其理想Weyl锥的能带计算结果。
图3：Eu3In2As4中交换耦合效应的原理示意图。
相关研究成果以《Giant-exchange-driven Vectorial Control of a Minimal Topological Magnet in Eu3In2As4》为题发表于Advanced Materials期刊。复旦大学博士生陈昊楠、宁波东方理工大学博士生段训凯和华东师范大学博士生王光毅为论文共同第一作者；复旦大学张成研究员、宁波东方理工大学周通副教授和华东师范大学袁翔教授为论文共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市基础研究特区计划和上海启源青年学者等项目支持。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74504
