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虽然这类材料在实验上展现了Weyl半金属的多种重要特征,首次理论预言TaAs家族材料是外尔半金属【H.

2020年4月17日 - 创新快车道
虽然这类材料在实验上展现了Weyl半金属的多种重要特征,首次理论预言TaAs家族材料是外尔半金属【H.

物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的张海军教授课题组与清华大学高等研究院姚宏研究员课题组密切合作,在Weyl半金属研究方面连续取得突破性进展,最新研究成果以《Ideal
Weyl Semimetals in the Chalcopyrites CuTlSe2, AgTlTe2, AuTlTe2, and
ZnPbAs2》为题,于2016年06月3日在线发表Phys. Rev. Lett. 116,
226801。南京大学物理学院博士生阮佳伟和清华大学高等研究院博士生简少恺为论文的共同第一作者,张海军教授和姚宏研究员为共同通讯作者。南京大学邢定钰院士和斯坦福大学张首晟教授指导了本项工作。

1928年,狄拉克提出了描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年,德国科学家外尔(Hermann
Weyl)指出,当质量为零时,狄拉克方程描述的是一对重叠的具有相反手性的新粒子,即外尔费米子。这种神奇的粒子带有电荷,却不具有质量。但是80多年过去了,人们一直没有能够在实验中观测到外尔费米子。中微子曾经被认为是外尔费米子,但是后来发现中微子其实是有质量的。近年来,拓扑绝缘体,尤其是拓扑半金属等新奇量子态研究的快速发展为在凝聚态体系中实现和观测外尔费米子提供了新的思路。其中备受瞩目的就是找到真实的外尔半金属材料。当两个自旋非简并的能带在费米能级附近线性交叉时,其低能准粒子激发态与外尔费米子的行为一致,这类材料体系被称为外尔半金属。理论预言,由于外尔费米子态的存在,外尔半金属会呈现出诸多奇异的物理现象,比如在体能带结构中成对出现,具有相反手性的外尔锥;在晶体表面上有连接两个外尔点表面投影的开放的费米面,即费米弧。此外,由于不同手性外尔费米子互相分离,会导致奇特的手性反常效应。所谓手性反常,是指材料中具有某种确定手性的电子的数量在某些条件下不守恒。直观的说,就是当外加的磁场平行于电场时,在磁场不是很大的情况下,体系的电阻随磁场的增加迅速减少,即负的磁电阻现象。外尔费米子这些优异的性质使其在新型电子器件开发和拓扑量子计算等领域有着广泛的潜在应用前景。

1929年,德国物理数学家H.
Weyl预言了一类具有固定手性的零质量的新粒子——Weyl费米子。然而,
80多年来,人们始终没有在现实世界中发现Weyl费米子存在的踪迹。直到2011年,南京大学的万贤纲教授及其合作者发现在凝聚态中低能激发的能量-动量色散关系可以精确地满足Weyl方程。这种低能激发准粒子就是人们寻找多年的一类Weyl费米子。该理论发现是国际上凝聚态物理研究领域的重大突破,Weyl半金属具有手性反常等新奇物理性质,对低能耗电子器件、量子计算等前沿科技领域具有重要的研究价值。

如何找到合适的外尔半金属材料体系是一个极具挑战性的科学问题,也是该领域国际竞争的焦点之一。突破来自狄拉克半金属材料理论预言与实验证实,人们在这类拓扑半金属里实现了无质量的狄拉克电子态。自然希望通过解除其狄拉克锥上的自旋简并,使其劈裂成手性的外尔锥,从而将其调制为外尔半金属。这一过程可以通过破缺时间或空间反演对称性来实现。按照这一思路,众多理论和实验工作迅速开展。然而,这些理论预言大多是通过引入磁性原子破坏时间反演对称性或者通过连续掺杂调控组分及能带结构实现外尔电子态。体系中磁性原子带来的磁畴以及杂质原子对平移对称性的破坏无疑会严重阻碍实验上对外尔费米子本征性质的研究。

目前,实验上确认的Weyl半金属只有TaAs系列材料。虽然这类材料在实验上展现了Weyl半金属的多种重要特征,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’体系。从理论模型上来说,该类材料的低能电子态起源于复杂的d轨道,没有一个简单的低能有效模型。从实验方面来说,体系中的Weyl点与平庸的体态混合在一起,导致实验上不能准确探测到Weyl半金属的本征特性。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室翁红明、方忠、戴希及其合作者,通过第一性原理计算,首次理论预言TaAs家族材料是外尔半金属【H.
Weng et al., Phys. Rev. X 5, 011029
。与之前的理论预言不同,TaAs这类材料通过破缺空间反演对称性实现外尔电子态,并且无需进行掺杂等细致繁复的调控有利于实验的验证。这一结果立刻引起了实验物理学家的重视,许多研究组开始了竞赛般的实验验证工作。

基于第一性原理计算和有效模型分析,课题组前期对HgTe系列经典化合物,包括HgTe、HgSe和部分half-Heusler化合物,进行了深入研究,发现外加轴向压力可以打开一个体能隙,实现拓扑绝缘体态;然而,轴向张力并不能打开体能隙,而是得到一类新型的对称性保护的稳定Weyl半金属态。该Weyl半金属态具有多重优点。首先,其低能电子态起源于Te的p轨道,可以由标准的Luttinger哈密顿来描述,为进一步的理论工作提供了一个简洁漂亮的有效理论模型。此外,体系中Weyl点受对称性要求,被限制在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。

其中,物理所陈根富小组首先制备出了高质量TaAs晶体,丁洪小组副研究员钱天与博士生吕佰晴利用上海光源“梦之线”ARPES实验站立即对TaAs表面电子态进行了高精度测量。通过与翁红明、戴希、方忠紧密合作,结合第一性原理计算结果,证实了表面费米弧的存在,并且确定了费米弧与外尔点在表面投影的连接方式,提供了TaAs材料外尔电子态的直接实验证据【B.
Q. Lv, H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 031013
。随后,丁洪小组及其瑞士保罗谢勒研究所的合作者进一步测量了TaAs体电子态,直接观测到外尔点及其附近的三维狄拉克锥,提供了进一步的实验证据【B.
Q. Lv, N. Xu, H. Weng et al., Nat. Phys.(DOI:
10.1038/NPHYS3426)。与此同时,陈根富小组的博士生黄筱淳和赵凌霄通过精确的电输运测量,首次在TaAs单晶中观测到了由手性反常导致的负磁阻效应,进一步从输运的角度证明了外尔费米子的存在【X.
C. Huang, L. X. Zhao et al., Phys. Rev. X 5, 031023
。在该实验过程中,研究员吕力给予了极大帮助。以上一系列工作是自1929年外尔费米子被提出以来,首次在凝聚态物质中证实存在外尔费米子态,具有非常重要的科学意义。

是否存在某种真实的材料体系,在不需要外部应力的条件下,直接实现这种理想Weyl半金属态呢?该项研究工作发现一类黄铜矿结构化合物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。

这些工作得到了科技部“973”项目、团队自然科学基金委和中国科学院先导B项目的支持。

该项工作进一步推进了该研究国家前期的理想Weyl半金属研究工作,为人们研究Weyl费米子的新奇本征物理性质及其他衍生特性提供了一类理想平台。

文章链接:1 2 3 4

研究工作主要得到了国家青年千人计划的资助。

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图1 实验和计算获得的TaAs 表面态费米弧


1:a和b是黄铜矿晶格结构示意图。a中的δu表示C原子偏离A和B原子构成的四面体的中心。b中标出了晶格结构的二度旋转对称性和镜面对称性。c为动量空间的四对Weyl费米子分布示意图。d为包含四个Weyl点的+kz平面的Berry曲率。e和f为表面的Fermi面和表面态色散。

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相关文章链接:

图2 TaAs体态外尔点和表面态费米弧的关系

Symmetry-protected ideal Weyl semimetal in HgTe-class materials

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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

(物理学院 科学技术处)

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