近日，南方科技大学理学院物理系副教授殷嘉鑫在Nature上以第一作者和通讯作者身份发表了题为“Topological kagome magnets and superconductors”的综述文章。文章针对笼目材料研究进行了系统性整理（图1），包括基于笼目晶格的基础物理概念、陈数磁性和外尔磁性的实现、平带的多提关联效应、非常规电荷密度波以及超导电性。

笼目晶格由顶点互相连接的三角形构成。笼目晶格在自然界没有直接的对映，是由人类智慧所创造的。笼目图案在东方的传统民俗艺术和西方的古老宗教文化中都有体现。例如，中国古代的蝈蝈笼子大部分是由竹条编制成的笼目图案；在深圳中华民俗村中也有许多的笼目格子图样；在西方古老犹太教中，笼目图案因寓意祥和而常被使用；在西方古老炼金术中，笼目图案也被用于代表几种基本的化学元素。笼目晶格在上世纪50年代被日本科学家率先引入到量子物理学中，在经历了四十多年的量子自旋研究后，人们逐渐开始关注起笼目晶格的电子结构。

笼目晶格的电子结构包含三个特殊的奇点：狄拉克费米子、平带、和范霍夫奇点。狄拉克费米子赋予了能带拓扑性质；平带引入了关联效应，例如磁性；而范霍夫奇点则会导致电子的不稳定性并使之趋于形成长程多体关联电荷序（图1）。在这些效应的综合作用下，学者们发现了一系列拓扑笼目磁体和超导体，并运用多种理论和实验手段研究了它们的奇异性质。通过对笼目材料的研究揭示了量子层次上几何、拓扑、自旋和关联的交缠相互作用，以及随之涌现的丰富多彩的量子现象。

图1 笼目晶格的理论基础

殷嘉鑫副教授综合性地回顾了此领域内的重要进展。首先讨论了笼目晶格的理论基础，包括拓扑学和强关联学两大方向，其次介绍了陈数和外尔磁性（图2），以丰富的多体关联现象，最后探讨了非常规电荷密度波和超导电性中的谜团（图3）。文章重点讨论了原始理论想法与最新实验发现之间的联系，笼目磁体与笼目超导体中量子相互作用的共通之处以及该领域的研究与其它领域的重要概念的联系，例如拓扑绝缘体、拓扑超导体、外尔半金属和高温超导体的研究。文章指出，人类对一系列笼目晶体的研究将拓扑量子物理学和多体关联物理学这两大学科领域广泛连接了起来，显著开拓了量子物态的前沿探索思路。

图2 拓扑笼目磁体

图3 拓扑笼目超导体

该综述文章作者为南方科技大学物理系副教授殷嘉鑫、普林斯顿大学助理教授廉骉、普林斯顿大学教授M Z Hasan。三位作者皆为通讯作者。该工作得到了南方科技大学启动资金的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05516-0