近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室袁翔课题组利用自主搭建的强磁场红外光谱系统在拓扑磁体EuCd2As2中发现了三维范霍夫奇点。研究成果以“The discovery of three-dimensional Van Hove singularity”为题在线发表于Nature Communications。
固体系统中允许存在一些特殊的电子结构，会在特定能量上产生发散的电子态密度，被称为范霍夫奇点（Van Hove singularity, VHS），它被认为能够诱导凝聚态中的新奇物态比如非常规超导性、密度波相、关联绝缘体相等。通常，范霍夫奇点被认为仅存在于一维和二维系统中，在三维系统中十分罕见，少数的例子也往往是在准二维的层状三维晶体中。研究团队的这一工作发现了严格的三维外尔半金属系统中也允许存在范霍夫奇点。
图1. 外尔半金属最小模型预言的三维范霍夫奇点
研究团队通过外尔半金属的最小模型预言并验证了一种三维范霍夫奇点。如图1所示，连续移动外尔能带能够有效改变费米速度，当移动量达到临界值时，会在面内形成墨西哥帽型色散，并且在有限动量的极值点处，沿径向的色散与面外方向相反。由此，可以构建具有严格三维能带结构的范霍夫奇点（图1中的绿点）。这有望为在三维系统中探索拓扑物理与电子强关联效应提供新的方案。
图2. 拓扑磁体EuCd2As2的磁学性质和中红外磁光谱
在实验上，可以用磁场来产生这一范霍夫奇点，通过在磁性外尔半金属中施加强磁场，能够有效调控能带移动；另一方面，可以用红外光谱来探测范霍夫奇点，其发散的态密度会在光谱上带来显著特征。研究团队通过外加磁场有效调控了拓扑磁体EuCd2As2中的交换作用，实现对其三维外尔能带的连续移动，并利用强磁场红外光谱技术追踪到三维范霍夫奇点形成的关键证据：临界磁场0.6 T时电子能带间光学跃迁的突然出现（图2）。光学跃迁的突然出现及其随磁场的演化均可通过外尔半金属最小模型进行定量描述。同时，模型预言的多个较高能量的光学跃迁在近红外磁光实验中被成功观测（图3），进一步验证了理论模型的可靠性。该工作为在拓扑体系中构造范霍夫奇点并进一步诱导相应的电子强关联效应提供了研究基础。
图3. 模型预言和近红外磁光谱验证
该研究成果近期发表在Nature Communications 15, 2313 (2024)，华东师范大学博士研究生吴闻彬和施泽平为论文的共同第一作者，袁翔教授为论文通讯作者。研究工作获国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金等支持。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46626-9