日本东北大学、大阪大学、东京大学、综合科学技术研究机构、日本原子能机构和J-PARC中心等单位组成的研究团队，发现了一类可通过改变层数来调控性质的四方晶格磁性材料，为拓扑量子材料设计提出了新的思路。相关成果已于2026年7月1日在线发表于《美国化学会志》。
在高温超导体、铁电体等层状氧化物研究中，科研人员早已习惯通过改变晶体结构中的层数，形成所谓“同系物系列”，从而系统调控材料的超导性、磁性等性质。但在近年来受到关注的拓扑量子材料领域，这样清晰的设计准则一直较为缺乏。
同系物设计方法已应用于高温超导体及其他材料的开发，现将其拓展至拓扑量子材料。上图展示了具有强关联特性的层状氧化物的Rudlsden-Popper相，下图展示了本研究发现的四方晶格材料的同系物。本研究发现的双层材料Ce₃Au₄Ge₂Bi₄(下图中心结构)对应于连接单层HfCuSi₂型结构和无限层ThCr₂Si₂型结构的中间结构。
此次研究的重点是一种具有狄拉克电子态的四方晶格磁体。团队首次成功合成了双层材料Ce₃Au₄Ge₂Bi₄。它位于单层结构CeAuBi₂和无限层状结构CeAu₂Ge₂之间，可被视为连接两类结构的中间成员，由此构成一个可按层数调控的新同系物系列。
研究人员利用日本JRR-3研究堆和J-PARC高强度质子加速器设施的材料与生命科学实验装置开展中子散射等实验，进一步解析了材料的磁结构。结果显示，与传统单层材料中的反铁磁序不同，双层Ce₃Au₄Ge₂Bi₄表现出带有自发磁化的亚铁磁序。
更引人关注的是，理论计算和强磁场测量表明，随着层数增加，材料中的狄拉克电子态也发生明显变化，形成一种倾斜程度很大的“II型狄拉克电子态”。这种状态在真空中的相对论粒子体系中并不存在，却可以在固体材料内部以电子态形式出现。
通过层数同时调控磁性和拓扑电子态。在新发现的双层材料Ce₃Au₄Ge₂Bi₄中，增加四面体层数会使磁序从反铁磁性转变为亚铁磁性(铁磁性)，同时显著改变狄拉克电子态。结果，材料进入一种极其特殊的“II型”状态，其锥体形状倾斜角度极大，几乎侧倾，超越了原始相对论(真空物理学)的极限。
研究团队认为，这一发现说明，在四方晶格拓扑量子材料中，层数不仅能影响磁性，也能同步调控拓扑电子态。未来若进一步结合元素替代等方法，有望拓展更多相关材料，为下一代量子技术基础材料和新型量子现象研究提供更系统的开发路径。
