磁性拓扑材料主要分为两类：一类是以磁性外尔（Weyl）/狄拉克（Dirac）半金属为代表，具有拓扑能带结构的材料体系，其通常表现出大反常霍尔效应和磁电阻效应等显著的磁电响应特性；另一类是以磁斯格明子（skyrmions）为代表，具有拓扑自旋结构的材料体系，其磁畴呈现纳米级的小尺度、高抗干扰性（受拓扑保护）以及低能耗（低驱动电流密度）等特性。磁性拓扑材料这些独特的新物态在未来自旋存储器、类脑神经网络以及量子计算等前沿领域展现出广阔的应用前景。因此，设计开发兼有拓扑能带结构和拓扑磁斯格明子的新材料体系，是目前拓扑自旋电子学领域研究重点，也是难点之一。
天津工业大学电子与信息工程学院王文洪教授团队长期致力于磁性拓扑材料的制备和物态调控，先后发现了多种宽温区、跨室温、稳定的磁skyrmions材料体系和具有拓扑能带结构的磁性材料体系。近期，团队成员李航教授通过自助熔方法制备了高质量Mn5Ge3单晶，并对其能带结构和自旋结构进行了详细研究。第一性原理计算表明，在考虑自旋-轨道耦合（SOC）效应，由于镜面对称性保护，发现其能带结构在费米能级附近存在两条Weyl节线环。此外，高分辨洛伦兹透射电镜和微磁模拟的结果均证实，当磁场沿c轴逐渐增加时，ab面内的磁畴结构会逐渐从条状磁畴逐渐向稳定的磁斯格明子拓扑自旋结构演变。而进一步结合磁和电输运测量，团队发现Mn5Ge3具有远高于其它磁斯格明子材料体系的超大拓扑霍尔效应（~972 nΩ cm）。
图1. Mn5Ge3的晶体结构、拓扑能带结构和磁斯格明子自旋结构。
上述结果表明：Mn5Ge3是一种兼有拓扑能带和拓扑自旋结构的磁性拓扑材料。同时该材料具有较宽的成相区间，这也为深入研究上述两种拓扑物态之间的关联机制及其调控规律提供了良好的平台。相关研究成果以“Emergent Magnetic Skyrmions in a Topological Weyl Nodal Ring Semimetal”为题，近期发表在国际著名期刊《纳米快报》【Nano Letters 25, 2903 (2025)】上。该研究工作由天津工业大学联合中国科学院物理研究所和北京大学共同完成，天津工业大学李航教授和王文洪教授分别为文章的第一作者和通讯作者。该项工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金青年项目、面上项目和北京凝聚态物理国家研究中心开放课题的支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c06259
（撰稿：唐春晓 审稿：牛萍娟）
