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新奇拓撲材料研究方面取得新進展

隨著近年來蓬勃發展的拓撲材料研究,人們在固體材料中陸續尋找到新奇的准粒子,從而模擬原本僅存在於高能物理中的粒子。例如,石墨烯、拓撲絕緣體的邊緣態(二維)/表面態(三維)中的低能電子可視作無質量的狄拉克費米子;外爾半金屬的低能電子可用手性區分的外爾費米子刻畫。此外,多重簡併費米子、點-線費米子等的發現,也極大拓展了凝聚態系統中准粒子家族。如何在固態材料系統中尋找甚至設計這些新奇的費米子,成為凝聚態物理新興的前沿領域之一。

最近,科學院半導體研究所超晶格國家重點實驗室常凱研究組在二元材料MoC中發現了點-線費米子與三重簡併費米子的共存。現有材料中穩定的點-線費米子是非常罕見的,能帶反轉引致的點-線費米子常常被不可忽略的自旋軌道耦合效應破壞,而MoC作為一種被發現了長達60年的滲碳材料,具有D_3h的晶格點群,其費米面附近能帶主要由Mo原子的d軌道組成。平面內的C_3v子群保證了三重簡併費米子的存在,同時Z方向的σh子群的鏡面反演操作則為點-線費米子的穩定提供了對稱性的保護。相關論文發表在Chinese Physics Letters(2017, 34(2): 027102)上。

在MoC的研究基礎上,常凱小組進一步研究了另一種穩定材料TaS的電子結構。TaS與MoC極為相似,體能帶中也存在三重簡併費米子與點-線費米子的共存。不同之處在於,在自旋軌道耦合作用下,TaS的一組點-線費米子在鏡面反演下保持穩定;而另一組點-線費米子則打開了非平庸的帶隙,高密度的費米面搜尋則提示,在打開的帶隙中,演生出了新的外爾費米子,這一預言經由嚴格的手性計算予以證明。由於上述費米子處於不同的能量空間,當投影到合適的表面,並進行ARPES觀測時,人們將會看到拓撲邊緣態構型的嬗變。由此,TaS成為了第一個可觀測的電子結構中同時含有三重費米子、點-線費米子與外爾費米子的新奇材料,為研究多種拓撲態的共存與轉變提供了嶄新的平台。該成果發表於Physical Review B(2017, 96(4): 045121),並被該期刊重點推介。

以上研究得到了國家自然科學基金項目的支持。

新奇拓撲材料研究取得新進展



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