二维ScV6Sn6 Kagome材料中可调控拓扑相的发现及其量子器件应用潜力

研究人员通过第一性原理计算揭示了二维ScV6Sn6 Kagome金属的拓扑特性，发现其具有铁磁基态（0.86 μB/原子）和反常霍尔效应（257 Ω-1cm-1），并在0.40 eV/?电场下实现拓扑半金属到普通金属的相变。该研究为拓扑量子计算和自旋电子器件设计提供了新材料平台。

　　

在量子材料研究领域，二维Kagome晶格体系因其独特的几何阻挫和电子关联效应，成为探索拓扑物态的理想平台。然而，具有可调控拓扑相的磁性Kagome材料仍属稀缺资源，这严重限制了其在自旋电子器件中的应用。传统三维Kagome材料如GdV₆Sn₆虽展现出丰富物性，但维度降低导致的量子限域效应如何影响其拓扑特性尚不明确。更关键的是，电场对二维磁性拓扑材料相变阈值的调控机制缺乏系统研究，这些科学问题制约着新型量子器件的开发。

针对这些挑战，研究人员通过第一性原理计算系统研究了二维ScV₆Sn₆的电子结构和拓扑性质。研究发现该材料具有三个显著特征：首先，其铁磁基态（居里温度89 K）产生0.86 μ_B/原子的磁矩，打破时间反演对称性(TRS)；其次，自旋轨道耦合(SOC)诱导的Weyl点形成|C|=1的陈数，产生257 Ω^-1cm^-1的反常霍尔电导(AHC)；最重要的是，在0.40 eV/?临界电场下可实现拓扑非平庸到平庸相的转变。这些发现发表于《Materials Today Physics》，为设计电场可调的量子器件提供了新思路。

研究采用多项关键技术：密度泛函理论(DFT)计算采用PBE交换关联泛函，结合GGA+U方法处理电子关联效应；通过Wannier90软件构建最大局域化Wannier函数(MLWF)，精确描述Sc-d、V-d和Sn-p轨道贡献；采用WannierTools计算Berry曲率和陈数；利用表面格林函数方法模拟半无限体系的边缘态。

1. 结构稳定性与电子特性
计算显示二维ScV₆Sn₆具有-0.17 eV的形成能和0.27 J/m²的解理能，力学稳定性通过弹性常数验证（杨氏模量109.66 N/m）。电子结构分析表明V-3d轨道主导费米面附近的态密度，形成多个Weyl型能带交叉点。

2. 拓扑特性表征
在Γ-K-M高对称路径上发现三个SOC诱导的带隙（24-33 meV），对应|C|=1的陈数。边缘态计算显示手性模式终止于费米能级（E_F=0.42 eV）附近，证实Weyl半金属相。

3. 反常霍尔效应
Berry曲率积分得到的本征AHC在E_F处达峰值257 Ω^-1cm^-1，源于Weyl点附近的曲率热点。该值优于多数二维铁磁体，与Co₃Sn₂S₂等体材料相当。

4. 电场调控相变
当垂直电场增至0.40 eV/?时，Weyl点湮灭导致陈数归零，边缘态消失。相变伴随费米面重构，形成完全连通的电子口袋，表明拓扑保护机制被破坏。

这项研究的重要意义在于：首次在二维钒基Kagome材料中实现电场调控的拓扑相变，临界场强（0.40 eV/?）较MnBi₂Te₄（需1-2 eV/?）更具实用价值。提出的"铁磁序+SOC+电场"三重调控机制，为设计拓扑量子器件提供了新范式。特别是257 Ω^-1cm^-1的AHC指标，使其在低能耗自旋电子器件中展现应用潜力。该工作将Kagome材料研究从三维拓展到二维体系，填补了磁性拓扑材料领域的关键空白。