宁波东方理工大学副教授周通团队联合复旦大学、华东师范大学、东南大学等实验团队，在磁性拓扑量子材料调控与稳定方面取得两项重要进展：一项工作在新型拓扑磁体 Eu₃In₂As₄ (EIAS)中揭示巨交换耦合驱动的磁拓扑相变，实现了对最小外尔态的“矢量调控”；另一项工作则阐明了反位缺陷影响 Mn(Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₄ (MBST)磁性与拓扑性质的微观机制，并通过优化晶体生长为稳定其拓扑态提供了材料基础。两项工作分别为磁性拓扑材料装上了“磁场方向盘”和抵御缺陷干扰的“稳定器”。
相关成果分别发表于《先进材料》(Advanced Materials)和《自然-通讯》(Nature Communications)。
磁性与拓扑的结合，为发现和操控新奇量子物态提供了重要平台。磁序不仅能够打破时间反演对称性、重塑电子能带，还可以驱动拓扑绝缘体、外尔半金属等不同拓扑量子态之间的转变。而对于真实材料而言，“获得拓扑态”只是第一步：如何利用磁性自由度主动、连续地调控拓扑能带，以及如何抑制晶体缺陷对磁性和拓扑性质的破坏，是推动磁性拓扑材料走向可控量子体系需要解决的两个重要问题。
巨交换耦合：为拓扑态装上“磁场方向盘”
交换耦合是连接局域磁矩与巡游电子的桥梁，其强弱直接决定磁序调控电子能带的能力。在多数磁性拓扑材料中，交换作用引起的能带移动通常只有数至数十毫电子伏，难以在较低磁场下驱动显著的拓扑相变；与此同时，复杂的能带结构也容易掩盖拓扑电子态的本征响应。
在新型 Zintl相拓扑磁体 Eu₃In₂As₄中，研究团队发现，局域磁矩与巡游电子之间的交换耦合如同一台“放大器”，可将磁矩变化转化为显著的能带重构。实验观测到高达约 300毫电子伏的磁化相关能带移动，远超普通塞曼效应的能量尺度；同时，该材料具有软磁特性，较小磁场即可改变磁矩排列方向。
这种“巨交换耦合+软磁响应”的独特组合，使磁场不再只是简单地将材料“磁化”，而能够直接调控其拓扑电子结构。第一性原理计算进一步揭示了磁构型与拓扑能带之间的清晰对应关系：当磁矩沿晶体 a轴或 b轴排列时，Eu₃In₂As₄可形成仅包含一对外尔节点的最小外尔半金属态；当磁矩转向 c轴时，则演化为节点环半金属。
更为重要的是，在磁矩连续转动过程中，这对外尔节点也会在动量空间中连续移动。换句话说，磁场方向就像一个“方向盘”，不仅可以决定体系处于哪一种拓扑相，还能够进一步控制外尔节点“在哪里”以及“相距多远”。磁红外光谱、量子振荡、各向异性磁输运和反常霍尔效应从不同角度共同支持了交换耦合驱动的能带重构。该工作将磁构型、拓扑能带与实验响应连接起来，使 Eu₃In₂As₄成为研究最小外尔模型及其矢量调控的理想材料平台。
Eu₃In₂As₄的晶体结构、磁性与磁场可控的拓扑性质。课题组供图
缺陷调控：为拓扑态装上“稳定器”
如果说第一项工作回答了如何让拓扑态随磁场“动起来”，第二项工作关注的则是如何让它在真实晶体中“稳得住”。
研究团队以 Mn(Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₄体系为例展开研究。MnBi₂Te₄及其 Sb取代体系可以承载反铁磁拓扑绝缘体、场致铁磁外尔半金属等多种拓扑量子态。Sb取代能够将费米能级调向电荷中性点，却也容易加剧 Mn与 Bi/Sb原子之间的反位缺陷。这些原子尺度的“错位”一方面会造成磁矩补偿和磁性稀释，另一方面还会破坏形成外尔态所需的理想磁序和能带结构。因此，费米能级调控与缺陷抑制必须协同实现。
针对这一问题，研究团队构建了包含不同种类、不同浓度反位缺陷的超胞模型，系统研究缺陷对磁耦合、磁构型和能带拓扑的影响。结果显示，反位缺陷会使错位 Mn磁矩与主 Mn层磁矩形成层内反平行排列，削弱材料在常规磁场下实现充分铁磁极化的能力；随着缺陷浓度升高，理想体系中的外尔能带交叉逐渐被打开并形成带隙，最终使外尔半金属退化为平庸磁性绝缘体。理论计算由此从微观层面揭示：只有在调节费米能级的同时有效抑制反位缺陷，才能更好地保持材料本征的磁性与拓扑性质。
基于这一认识，研究团队发展了优化化学气相输运生长方法，通过针对不同 Sb含量调节生长温区、原料配比和生长环境，制备出更接近化学计量比、反位缺陷显著降低的高质量 Mn(Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₄单晶。在约 x=0.20时，材料费米能级被调至电荷中性点附近，载流子浓度低至约 7×10¹⁷ cm⁻³，迁移率达到 2519 cm²·V⁻¹·s⁻¹。场致铁磁态中出现的强量子振荡，以及 n型和 p型样品中符号相反的反常霍尔电导，为 II型外尔半金属态提供了有力支持。
Mn(Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₄中的缺陷类型、磁构型与拓扑性质。课题组供图
两项工作虽然聚焦于不同材料体系，却共同回答了一个核心问题：如何将磁性拓扑态发展为一种可设计、可调控的量子资源。一个让拓扑态“调得动”，一个让拓扑态“稳得住”，从外场调控与材料优化两个互补维度，展示了理论计算与实验研究协同推动量子材料发展的研究路径。
周通团队在两项研究中主要承担理论计算与物理机制分析工作。东方理工博士生段训凯为两篇论文的共同第一作者，周通为共同通讯作者。合作者还包括复旦大学研究员张成与博士生陈昊楠、王嘉宇等，华东师范大学教授袁翔与博士生王光毅等，东南大学教授苗霖与博士生李华耀等。该研究得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、甬江人才工程等项目支持。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1002/adma.74504
https://doi.org/10.1038/s41467-025-67774-6
周通课题组介绍
周通团队主要从事量子材料、量子器件与量子计算研究，通过发展理论模型与计算模拟方法，在拓扑量子比特的构筑与操控、新型量子材料及界面输运、多铁交错磁体与自旋量子器件等方向取得了一系列创新性成果。尤其是在交错磁性研究方面，团队近年来连续取得具有重要影响的进展，包括提出多铁交错磁体“三部曲”、交错磁近邻效应、交错磁拓扑输运以及交错磁场效应晶体管等一系列代表性成果。
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课题组主页：www.zhouphy.com
