重費米子體系CeRu4Sn6中的外爾費米子態 | 進展

拓撲材料是近幾年凝聚態物理領域的研究熱點之一。根據電子結構的不同，拓撲電子材料可以分為拓撲絕緣體和拓撲半金屬兩大類。兩者均存在拓撲保護的無能隙表面態，不同之處在於拓撲絕緣體的體態是全能隙的絕緣態，而拓撲半金屬的體態在費米面附近存在零能隙的簡併點或線。目前，已經被發現的拓撲半金屬包括Dirac半金屬，Weyl半金屬，Nodal-line 半金屬以及具有三重簡併度的「New Fermion」等。由弱關聯電子形成的拓撲半金屬態，理論計算和分析已經比較成熟。能否在強關聯材料體系中尋找這類拓撲材料是理論上非常關心的問題，因為強關聯效應可以帶來很多有趣的物理，如通過外場誘導不同拓撲物態之間的相變。

已有的實驗結果表明，CeRu4Sn6是一類典型的強關聯重費米子體系，其中Ce的4f電子佔據數大約是0.95，這與GGA+SOC的計算結果不符。2016年，科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）T03組戴希研究員和翁紅明研究員指導博士生徐遠鋒和岳長明，利用Gutzwiller變分法結合第一性原理重新計算了該體系的准粒子電子結構。在考慮f電子強相互作用下，得到了該材料的准粒子能帶和原子多重組態等。研究發現，f電子的強關聯效應對能帶的修正主要表現為以下兩點：(1)4f電子的j=7/2能帶被推到了費米面以上1.2eV左右，而費米能附近主要由4f的|j=5/2,jz=±1/2>和4d電子佔據；(2)4f軌道形成的准粒子能帶寬度減少了50%左右。這導致4f電子和4d電子在費米能附近產生反帶，並且計算得到的Ce的4f電子佔據數與實驗結果非常吻合。

考慮到該體系沒有空間反演對稱性，因此在反帶附近很可能存在外爾點。他們利用Wilson-loop計算方法，在布里淵區中一共找到八對Weyl點，其中包括四對Type II的外爾點。通過表面態計算，可以在(010)表面看到清晰的Weyl半金屬獨有的「費米弧」。與已知的弱關聯拓撲半金屬不同，CeRu4Sn6中的外爾費米子態對Ce的價態非常敏感。通過在小範圍內調節4f電子的佔據數，體系會經歷多個拓撲相的變化，這將為以後強關聯與拓撲之間的物理研究提供一個平台。

這一研究成果已發表在Phys. Rev. X 7, 011027(2017)上。該工作得到了基金委（No. 11674369 and No. 11422428）和科技部（No. 2016YFA0300600）等相關基金的支持。

圖1 CeRu46的晶體結構和簡約布里淵區

圖2 在考慮自旋軌道耦合效應下，分別由LDA(a)和LDA+Gutzwiller(b)方法得到的能帶結構

圖3 在(001)方向(a,b)和(010)方向(c,d)的表面態的費米面

圖4 CeRu4Sn6中拓撲相隨4f電子佔據數的變化

編輯：Alex Yuan

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