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北理工在二维狄拉克“节线”半金属研究中取得重要进展

供稿: 物理学院 编辑: 周格羽
(2018-01-17) 阅读次数:
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  日前,北京理工大学姚裕贵教授课题组(博士研究生付波涛、姚裕贵教授),同日本东京大学的冯宝杰博士、Matsuda教授以及中科院物理所陈岚、吴克辉等人合作的研究工作取得重要突破,在实验上首次观测到二维狄拉克“节线”半金属。

  “拓扑半金属”是一种不同于“拓扑绝缘体”的新型拓扑电子态,其具有特殊拓扑的表面态(费米弧、鼓膜表面态)、奇异的磁输运性质(如负磁阻、巨磁电阻)以及极高的载流子迁移率等优点。根据费米面附近的能带交叉点维度不同,拓扑半金属可以分为拓扑节点半金属(零维),拓扑节线(Nodal Line)半金属(一维),拓扑节面半金属(二维)。其中对于拓扑节线半金属,其交叉点在布里渊区中形成连续闭合的一维曲线。拓扑节线半金属最早在三维体系中提出,由于其具有独特鼓膜状的表面态,使得它可能在高温超导领域有潜在应用。三维体系中拓扑节线半金属最近也陆续被一些实验证实,比如PtSn4,ZrSiS,TITaSe2等。在二维材料中也有理论预言可以存在对称性保护的二维节线半金属,然而一直缺乏实验证实。

图1 单层CuSi2的晶体结构图和电子结构图

(a) 结构俯视和测视图,橘黄色表示Cu原子,蓝色表示Si原子;(b) 第一性原理计算的能带结构图,不考虑自旋轨道耦合效应;(c) 费米面分布图 (d) 动量空间中狄拉克节线分布图

图2 实验测量生长在Cu(111)衬底上的单层CuSi2

(a) 蓝色表示CuSi2布里渊区,黑色表示Cu(111)表面布里渊区;(b)(c)ARPES测量费米面处和费米以下0.5eV处等能面图; (e)(f)(g) ARPES测量沿着高对称路径的能谱密度图

  在该工作中,他们通过理论上第一性原理计算和实验上角分辨光电子谱测量证实了单层的Cu2Si体系是一种二维节线半金属。发现在费米能级附近,体系的一条导带和两条价带相交,在布里渊区中间区域形成两套封闭的节线。两套节线分别呈现六边形和六角梅花形。进一步通过对称性分析揭示了发现这种节线半金属受到垂直方向的镜面对称性保护。如果破坏体系对称性,原本无能隙的节线会打开能隙。但是在一些高对称方向依然有能隙闭点,形成类似于石墨烯体系中的狄拉克点。实验上Cu2Si生长在Cu单质的(111)表面,通过角分辨光电子谱测量他们发现沿着不同的方向上都有能隙闭合点,即证明了节线半金属的存在。该结果把节线半金属从三维推广到了二维。此外,他们还建议可以通过施加不同衬底破坏对称性,实现从二维节线半金属到二维狄拉克半金属转变。这些结果也为将来为实现纳米尺度的新型拓扑量子器件提供了一种新材料上可能。

  该工作得到国家自然科学基金委和科技部的资助,相关研究结果发表于NATURE COMMUNICATIONS 8: 1007(2017)。

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-01108-z


(审核:苏文勇)

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