近日，物理科学与技术学院杨铁副教授团队瞄准拓扑量子材料前沿，在3D无机电子化物领域取得突破性进展。他们与河北师范大学、河北工业大学、东京科技大学以及澳大利亚卧龙岗大学研究人员合作，在国际权威学术期刊《Advanced Science》发表题为《3D Topological Inorganic Electrides: Screening, Properties, and Applications》的研究论文。该研究首次发现12种稀土氢化物（ReH2）构成的3D无机电子化物家族，其中9种为新发现材料。这些材料展现出丰富的拓扑量子态与磁电耦合特性，包括二次三重简并点、闭合/开放外尔节点线等新奇结构，并具有超高异常霍尔电导率（939 S•cm-1）和超低功函数（2.6―3.9 eV），在量子输运、电子发射器件和高效氨合成催化等领域具有重要应用前景。该成果不仅填补了国际上3D拓扑无机电子化物研究的空白，更为量子器件开发与催化应用提供了全新材料平台，彰显了学校在凝聚态物理领域的创新实力。

传统无机电子化物研究局目前大多局限于0D笼状、1D通道和2D层间电子构型，而该团队通过晶体对称性结构的思路设计，发现稀土氢化物中存在相互连通的3D间隙电子网络。并首次实现三种拓扑态共存：二次三重简并点（QTDP）、闭合外尔节线环（CWNL）和开放外尔节线（OWNL），其表面态呈现六边形费米弧与花瓣状鼓面态，为探索自旋极化输运提供了理想模型。

通过第一性原理计算发现，该家族材料具有多样化磁有序：2种铁磁（FM）、7种反铁磁（AFM）和3种非磁（NM）构型。以CeH₂为代表，自旋轨道耦合诱导的时间反演对称性破缺产生巨大贝里曲率，导致异常霍尔电导率峰值达939 939 S•cm^-1，通过电子掺杂可进一步调控至费米能级，为开发高灵敏度磁传感器奠定基础。另外，材料表面展现的超低功函数特性（最低2.61 eV）使其具备优异电子发射能力。在外电场调控下，3D间隙电子可迁移至表面形成准二维电子气，开关比达0.9 eV•Å ^-1，有望实现新型电控电子源器件。此外，TbH₂表面对氮气分子的活化能垒低至2.1 eV，可显著促进氨合成反应，为设计高效催化剂提供新思路。

该研究创新性地将拓扑物理与无机电子化物耦合，提出“3D拓扑无机电子化物”概念，为多场调控量子器件设计开辟新路径，不仅拓展了拓扑材料的边界，更通过磁电―催化性能的集成，展现了量子材料在能源与信息领域的交叉应用潜力。

研究得到国家自然科学基金、河北省自然科学基金等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202507469

撰稿人：杨铁
审稿人：周钰青、吴正茂