近日，物理学院季威教授研究组与武汉大学张晨栋教授、袁声军教授、吴冯成教授等合作者组成联合团队，通过理论计算结合实验创制和测量，获得了非简单化学配比的单层笼目(kagome)晶格材料Mo₃₃Te₅₆，并发现了其中蕴藏的磁性和关联绝缘体等新物态。相关结果以“Ferromagnetism and correlated insulating states in monolayer Mo₃₃Te₅₆”为题，发表在2025年3月31日出版的《自然·通讯》[Nature Communications 16, 3084 (2025)]上。

研究背景：在凝聚态物质中，处于费米能级附近平带中的电子备受关注。这些电子的动能被显著抑制，导致电子关联效应占据主导地位，从而为探索莫特(Mott)绝缘态、非常规超导态等多种新奇量子物态提供了理想的研究平台。然而，如何获得费米能级附近的电子平带则是构筑该平带的首要问题，面临着很大挑战。现有研究大多利用转角石墨烯等人工多层结构获得费米能级附近的电子平带。所获平带受限于严格的堆垛角度与复杂的界面工程，加之较小的载流子浓度，显著限制了其实际应用潜力。尽管高通量计算预测了一些天然晶体材料可能具有费米面处的平带特性，但至今未能得到明确的实验验证。因此，获得可制备、可测量且与其他能带无交叉的近费米能级平带成为当前量子材料研究中的关键科学问题之一。

创新方案：因其独特的几何特性，笼目晶格（kagome lattice）可导致电子波函数干涉相消，是实现平带和狄拉克能带的理想晶格之一。现有的笼目材料多为块体材料，难以保证获得近费米能级平带且不与体能带交叉。为了获得与其他能带无交叉的近费米能级平带，研究团队聚焦在二维极限下构筑笼目晶格材料，创新性地提出了化学势控制孪晶界尺寸和排列的新策略，利用孪晶界超晶格创制出非简单化学计量比的笼目单层材料——Mo₃₃Te₅₆单层材料（下图左上）。

科学发现：通过密度泛函理论计算和紧束缚近似模拟，结合扫描隧道显微镜/谱（下图中上）、原子力显微镜（下图左下）等先进实验技术，研究团队确认该材料具备扭转笼目晶格的几何对称性，在费米能级附近形成了两套纯净的笼目能带（1平带+2狄拉克带，下图中下）。更为重要的是，自旋极化STM测量和密度泛函理论计算证实了Mo₃₃Te₅₆是首个单层极限下的笼目磁体，其在0.35 K温度下展现出显著的铁磁回滞特性，矫顽力场达到0.1T（下图右上）。其扫描隧道显微谱还呈现出位于费米能级处约15 meV宽的显著电子关联能隙，并在磁场下展现出极化塞曼效应（下图右下）。该研究工作实现了二维极限下平带驱动的强关联电子态及自发磁性, 为基于笼目晶格的强关联量子材料的设计提供了新的路径，并为平带驱动的量子物态研究提供了更加清晰的物理平台。

承前启后：值得一提的是，2023年，物理学院程志海研究组（实验）和季威研究组（计算）利用类似策略创制了首个染色三角形单层材料Mo₅Te₈，获得近费米能级平带的特征证据[Nature Communications14, 6320 (2023)]。本工作则更近一步，在该类材料的另一个稳定相(Mo₃₃Te₅₆)中发现了磁性和关联绝缘体态，并促使联合团队从理论计算的角度重新审视这类材料，揭示了四种在不同化学势下的稳定结构，更加系统地描述了他们的几何和电子结构特性[arXiv:2408.14285 (2024)]。

团队人员：中国人民大学博士生戴佳琦、武汉大学博士生潘泽敏、博士后熊文奇博士和张辉博士为论文共同第一作者。物理学院季威教授、武汉大学张晨栋教授、袁声军教授、吴冯成教授为该论文的共同通讯作者。该工作的主要理论计算由戴佳琦和季威教授完成，其余部分由合作单位完成，并得到了国家自然科学基金、科技部、教育部等的支持。相关计算在中国人民大学计算云平台和物理学院高性能计算实验室等处完成。

文章链接：Ferromagnetism and correlated insulating states in monolayer Mo₃₃Te₅₆