近日，上海交通大学李政道研究所/物理与天文学院/张江高等研究院吕佰晴副教授、上海交通大学李政道研究所丁洪教授、中国科学院上海高等研究院黄耀波研究员、华东师范大学商恬研究员、上海交通大学物理与天文学院谭恒心副教授、美国波士顿学院汪自强教授以及中国科学院物理研究所何伦华研究员等国内外团队联合，在新型反铁磁笼目金属材料TbTi₃Bi₄中取得重要进展。他们首次直接观测到一种奇特的轨道选择性双周期调制现象：在反铁磁态下，材料中的不同电子轨道会“分工协作”，以特定波矢（~1/3, 0.28, 0）重构电子能带结构，并且该重构造成了拓扑相变，在特定动量处形成了狄拉克锥。这一发现揭示了磁性产生的全新微观机制，并为理解该材料中神秘的三分之一磁化平台现象提供了关键钥匙。相关成果已发表于国际一流期刊《物理评论X》【Physical Review X, 15, 031012 (2025)】。

研究团队综合利用角分辨光电子能谱（ARPES）、中子粉末衍射（NPD）、扫描隧道显微镜(STM）等多维度实验手段，并且结合密度泛函理论（DFT）计算发现，当材料冷却到约20.4 K以下的反铁磁态时，其电子结构发生高度各向异性的双周期调制：沿平行（a轴）以及垂直（b轴）于铽原子锯齿链方向分别出现波矢为1/3 a*和0.28 b*的费米面嵌套失稳以及相应的能带折叠（图一和图二）。并且，a*方向能隙是b*方向能隙的3倍，呈现出高度各向异性。STM测量排除了电荷密度波的可能，确认其来自于反铁磁性。中子衍射结果进一步证实了在反铁磁相变温度之下，TbTi₃Bi₄出现了（1/3 a*, 0.28 b*, 0）的磁性结构调制，表明这种磁性调制是由费米面嵌套诱导的RKKY相互作用形成的（图三）。值得注意的是能带折叠的连锁反应是在布里渊区边界处诱导出对称性保护的狄拉克锥结构 [图一 (b）]，这标志着反铁磁态下发生了一次由磁相变驱动的拓扑相变。

理论计算清晰地指出，这种高度各向异性的双重调制主要由铽原子的特定5d_xz电子轨道驱动（图四）。该轨道在费米面特定区域（沿A-L₁方向）高度集中，其不稳定性引发了费米面嵌套，最终导致了观测到的各向异性的反铁磁有序（1/3 a*, 0.28 b*, 0）。

TbTi₃Bi₄因其在磁场下展现出独特的三分之一磁化平台而备受关注。本研究提出的轨道选择性各向异性双重调制模型和相应的反铁磁结构为此提供了合理解释。由于TbTi₃Bi₄在平行以及垂直于准一维铽原子锯齿链的能隙的强烈各向异性，1/3 a*反铁磁序在外场下更稳定，由此形成占据主导地位的3a 周期的单向反铁磁序。基于3a周期的磁矩翻转模型，可以自然地解释1/3分数磁化平台的形成（图五）。并且在磁矩翻转过程中由于散射的产生，电阻率等将发生剧烈变化，与实验观测一致。

该工作首次清晰揭示了电子轨道自由度如何选择性地与局域磁矩耦合，证明通过设计各向异性结构（如插入准一维链）可以增强轨道选择性，进而调控磁性（如诱导特定波矢的磁有序、分数磁化平台）。这为开发新型磁性量子材料（如更稳定的磁斯格明子、新奇拓扑态）提供了全新思路。

上海交通大学李政道研究所/中国科学院物理研究所联合培养博士生张任杰，华东师范大学博士生余博丞，上海交通大学物理与天文学院谭恒心副教授，中国科学院上海高等研究院/上海交通大学李政道研究所联合培养博士生程以伟为该论文共同第一作者。上海交通大学李政道研究所/物理与天文学院/张江高等研究院吕佰晴副教授，中国科学院高等研究院黄耀波研究员，华东师范大学商恬研究员为该论文的共同通讯作者。本工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会以及上海市政府等单位的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/c3tg-1lxl