范霍夫奇点的魔法：厦门大学孙阳副教授对三元硼化物中新型磁性材料的预测设计取得新进展

发表时间：2023-11-22浏览次数：10

近日，厦门大学物理科学与技术学院孙阳副教授对三元硼化物中新型磁性材料的预测设计取得新进展。研究团队通过理论预测，利用高通量晶体结构搜索在层状三元硼化物中发现了一类具有结构稳定性和范霍夫奇点的新型材料ATB4，并且揭示了多种可调控的基态磁结构。

图1左图：ATB4材料的晶体结构，A(红色)为镁、钙或铝，T(蓝色)为钒、铬、锰、铁、镍或钴，B(绿色)为硼。右图：高通量计算材料的结构稳定性。

由于这类材料的特殊原子结构，3d过渡金属原子形成了类似分子状态的二聚体结构，导致电子结构中出现范霍夫奇点并保持材料的稳定性。这些范霍夫奇点在3d带的电子填充接近半满时较强，而在3d带的空缺或满占附近则较弱，这种近似刚性的能带结构为不同类型量子态的出现和涨落创造了有利条件。

图2ATB4化合物家族包含范霍夫奇点的电子态密度与刚性平带

在含有3d族中部原子的材料中，范霍夫奇点导致了磁性的不稳定性，使材料产生了多种磁性基态，并呈现出弱金属或半导体性质，类似于一个非平凡的自旋玻璃体系，其中一些系统还出现了罕见的Slater式金属-绝缘体转变。

图3ATB4化合物家族中的多种基态磁结构

通过固态合成方法，研究团队探索了制备这类化合物的可能性，并意外地合成了新型的镁铁硼三元化合物。目前实验制备ATB4仍然具有挑战性，研究者提出了更多样的合成思路，有待进一步研究。

图4ATB4实验探索以及合成的MgFeB新材料的原位XRD表征

费米能级附近的电子态密度对于调控材料的多种性质至关重要。高费米能级态密度通常会引发有趣的电子、磁性和结构性质，但也可能降低材料的稳定性，从而限制了实验的合成性。正如范霍夫在1953年所指出的，态密度中的奇点（范霍夫奇点）与能带的拓扑结构密切相关，对于量子材料的电子性质调控具有重要作用。尽管范霍夫奇点通常在低维材料中观察到，但理论上设计此类材料较为困难。ATB4系列材料的发现将为研究范霍夫奇点系统以及调控新的量子态提供机会。作者所使用的寻找具有范霍夫奇点材料的理论计算方法可以进一步推广至其他体系，从而加速新型量子材料的发现。

相关研究成果以“Prediction of Van HoveSingularitySystems inTernaryBorides”为题在计算材料学顶刊npj Computational Materials上发表(DOI:10.1038/s41524-023-01156-8)。计算凝聚态物理研究组孙阳副教授为该论文的第一作者和通讯作者，爱荷华州立大学的Kirill Kovnir教授和Vladimir Antropov教授为共同通讯作者，厦门大学物理科学与技术学院物理学系为第一单位。