实验上确认的Weyl半金属只有TaAs系列材料,具有相反手性的外尔锥

大要高校、固体微构造物理国家根本实验室、San Jose微结构科学与本事联合立异为主的刘传江军教师课题组与北大东军事和政院学高端切磋院姚宏切磋员课题组紧凑合作,在Weyl半金属讨论方面总是得到突破性进展,最新钻探成果以《Ideal
Weyl Semimetals in the Chalcopyrites CuTlSe2, AgTlTe2, AuTlTe2, and
ZnPbAs2》为题,于二〇一五年0七月3日在线刊登Phys. Rev. Lett. 116,
226801。南大物理高校博士生阮佳伟和南开东军事和政院学高档切磋院博士生简少恺为杂谈的二只第一作者,亚妮军教授和姚宏研商员为同步通信小编。南大邢定钰院士和洛桑联邦理教院张首晟教师指引了本项职业。

1927年,狄拉克建议了描述相对论电子态的狄拉克方程。一九三零年,德意志联邦共和国地军事学家外尔(HermannWeyl)建议,当质量为零时,狄拉克方程描述的是一对重叠的富有相反手性的新粒子,即外尔费米子。这种美妙的粒子带有电荷,却不抱有品质。可是80多年过去了,我们直接未有能够在实验中观测到外尔费米子。中微子曾经被感到是外尔费米子,不过后来意识中微子其实是有品质的。这两天,拓扑绝缘纸,特别是拓扑半金属等新奇量子态研商的全速升高为在密集态系列中贯彻和考察外尔费米子提供了新的思路。个中举世瞩指标正是找到实际的外尔半金属材质。当多个自旋非简并的能带在费米能级周围线性交叉时,其低能准粒子激发态与外尔费米子的作为无差距于,那类材质种类被称为外尔半金属。理论预见,由于外尔费米子态的留存,外尔半金属会显示出超多惊慌的物理现象,比方在体能带布局中成对现身,具有相反手性的外尔锥;在晶体表面上有连接五个外尔点表面投影的吐放的费米面,即费米弧。别的,由于差别手性外尔费米子互相抽离,会变成奇特的手性变态效应。所谓手网瘾,是指质感中存有某种明确手性的电子的数据在好几条件下不守恒。直观的说,正是当外加的磁场平行于电场时,在磁场不是相当大的意况下,体系的电阻随磁场的扩展神速回退,即负的磁电阻现象。外尔费米子这几个爱不忍释的个性使其在风行电子零零部件开垦和拓扑量子总结等领域具备广阔的机密应用前途。

一九二五年,德意志物理化学家H.
Weyl预感了一类具备固定手性的零品质的新粒子——Weyl费米子。但是,
80多年来,我们平昔未有在切切实实世界中开掘Weyl费米子存在的踪影。直到二〇一三年,南大的万贤纲教师及其合伙人发将来凝聚态中低能激发的能量-动量色散关系得以正确地满意Weyl方程。这种低能激发准粒子正是大伙儿追寻多年的一类Weyl费米子。该辩白开采是国际上凝聚态物理切磋世界的重大突破,Weyl半金属具备手网瘾等新奇物理属性,对低能源消功耗子零零部件、量子总结等战线科技(science and technologyState of Qatar领域具备关键的切磋价值。

怎么找到合适的外尔半金属材质体系是四个极具挑战性的不易难题,也是该领域国际角逐的标准之一。突破来自狄拉克半金属材照看论预感与试验验证,我们在这里类拓扑半金属里福寿年高了无质量的狄拉克电子态。自然期望经过撤消其狄拉克锥上的自旋简并,使其劈裂成手性的外尔锥,进而将其调制为外尔半金属。这一经过能够由此破缺时间或空间反演对称性来贯彻。依据这一思路,众多反对和试验专门的学问急速开展。但是,那个理论预感大多是透过引进磁性原子破坏时间反演对称性或然经过连接掺杂调节组分及能带布局落成外尔电子态。类别中磁性原子带给的磁畴以至垃圾原子对移动对称性的毁损无疑会严重阻碍实验上对外尔费米子本征性质的研究。

当下,实验上肯定的Weyl半金属独有TaAs种类材质。固然那类材质在尝试上表现了Weyl半金属的各类首要特点,如负磁阻效应、费米弧、高迁移率等,但他们都还不是‘理想Weyl半金属’种类。从理论模型上的话,该类质地的经营不善电子态起点于复杂的d轨道,未有叁个简短的平庸有效模型。从实验方面来讲,类别中的Weyl点与经营不善的体态混合在一同,以致实验上不可能标准探测到Weyl半金属的本征个性。

近几来,中科院物理研商所/上海凝聚态物理国家实验室翁红明、方忠、戴希及其合伙人,通过入眼原理总计,第一回理论预感TaAs亲族材质是外尔半金属【H.
Weng et al., Phys. Rev. X 5, 011029
。与事情发生早先的争鸣预见不一样,TaAs那类材质经过破缺空间反演对称性完结外尔电子态,并且没有必要举行掺杂等留意繁复的调整方便实验的求证。这一结实及时引起了尝试物教育学家的保养,多数研商组起头了竞赛般的实验证实专门的学问。

依赖第一性原理总计和卓有成效模型解析,课题组先前时代对HgTe体系精髓化合物,满含HgTe、HgSe和局地half-Heusler化合物,实行了深切钻研,开采外加轴向压力得以张开两个体能隙,达成拓扑绝缘油态;不过,轴向伊哈洛并不可能张开体能隙,而是取得一类新型的对称性拥戴的安定Weyl半金属态。该Weyl半金属态具备多重优点。首先,其低能电子态起点于Te的p轨道,能够由标准的Luttinger克拉玛依顿来说述,为更为的理论职业提供了八个简洁明了美貌的卓有成效理论模型。其他,体系中Weyl点受对称性须求,被节制在kx=0或ky=0平面内,并且Weyl点之间由对称性关系彼此联系,本质为一套Weyl点。特别重要的是,所有Weyl点精确坐落在费米能级,没有与平庸体电子态混合。故而,课题组称这类电子态为‘理想Weyl半金属态’【Ruan et al. Nature Communications 7, 11136。

内部,物理研究所陈根富小组第一制备出了高素质TaAs晶体,丁洪小组副研究员讨员钱天与学士生吕佰晴利用巴黎光源“梦之线”ARPES实验站立即对TaAs表面电子态举办了高精度度量。通过与翁红明、戴希、方忠紧凑同盟,结合宗旨原理总括结果,证实了表面费米弧的留存,何况规定了费米弧与外尔点在外界投影的总是方式,提供了TaAs材料外尔电子态的一向尝试证据【B.
Q. Lv, H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 031013
。随后,丁洪小组及其SwitzerlandPaul谢勒商讨所的合伙人进一层度量了TaAs体电子态,间接观测到外尔点及其相近的三个维度狄拉克锥,提供了越来越的试验证据【B.
Q. Lv, N. Xu, H. Weng et al., Nat. Phys.(DOI:
10.1038/NPHYS3426)。与此同临时间,陈根富小组的硕士生黄筱淳和赵凌霄通过准确的电输运度量,第一遍在TaAs单晶中观测到了由手性分外引致的负磁阻效应,进一层从输运的角度表明了外尔费米子的留存【X.
C. Huang, L. X. Zhao et al., Phys. Rev. X 5, 031023
。在该试验进程中,商讨员吕力给与了天崩地裂接济。以上一各类职业是自1926年外尔费米子被建议以来,首次在密集态物质中验证存在外尔费米子态,具有特别关键的精确意义。

是或不是存在某种真实的资料种类,在没有要求外表应力的尺码下,间接促成这种大好Weyl半金属态呢?该项钻探职业开掘一类黄铜矿布局化合物ABC2(如CuTlSe2, AgTlTe2, AuTlTe2, and ZnPbAs2)可以自然地展现‘理想Weyl半金属态’,不需要外加的应力作用【Ruan et al. Phys. Rev. Lett. 116,226801。如果把闪锌矿HgTe取两倍的超包Hg2Te2,那么Hg2Te2成为黄铜矿晶格结构化合物(A=B=Hg, C=Te),故而闪锌矿晶格结构可以看做是一种特殊的黄铜矿晶格结构,见图1。对于一般的黄铜矿化合物,A原子与B原子是不同原子,故而A和B原子围绕C原子形成的四面体不再是正四面体,而会发生畸变。这种结构畸变效应自发地产生一种有效于闪锌矿结构HgTe中的外部轴向压力或者张力。基于第一性原理计算,该项研究发现CuTlSe2, AgTlTe2, AuTlTe2, and ZnPbAs2中自发产生一种有效轴向张力,故而自然实现理想Weyl半金属态。

那些工作获得了科学技术部“973”项目、国家自然科学基金委员会和中科院起先B项指标扶持。

该项工作愈发推动了该研讨国家先前时代的爱不忍释Weyl半金属研讨事业,为人人钻探Weyl费米子的奇异本征物理属性及其余衍生性子提供了一类卓绝平台。

小说链接:1 2 3 4

研商职业重大得到了国家弱冠之年千人陈设的帮助。

图片 1

图片 2

图1 实验和总括得到的TaAs 表面态费米弧


1:a和b是黄铜矿晶格构造暗暗提示图。a中的δu表示C原子偏离A和B原子构成的四面体的为主。b中标记了晶格构造的二度旋转对称性和镜面临称性。c为动量空间的四对Weyl费米子布满暗示图。d为包含八个Weyl点的+kz平面包车型大巴Berry曲率。e和f为表面包车型地铁Fermi面和外界态色散。

图片 3

相关小说链接:

图2 TaAs体形外尔点和外界态费米弧的涉嫌

Symmetry-protected ideal Weyl semimetal in HgTe-class materials

图片 4

Jiawei Ruan, Shao-Kai Jian, Hong Yao, Haijun Zhang, Shou-Cheng Zhang and
Dingyu Xing

图3 TaAs的负磁阻现象

Nature Communications 7,11136

Ideal Weyl Semimetals in the Chalcopyrites CuTlSe2, AgTlTe2, AuTlTe2,
and ZnPbAs2

Jiawei Ruan, Shao-Kai Jian, Dongqin Zhang, Hong Yao, Haijun Zhang,
Shou-Cheng Zhang and Dingyu Xing

Phys. Rev. Lett. 116, 226801

(物理高校 科学技艺处)

相关文章

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注