WC中三重简并点和费米弧表面态观测实验

作者: 加拿大PC28在线预测  发布:2020-03-25

南京大学固体微结构物理国家重点实验室、现代工程与应用科学学院&材料科学与工程系及人工微结构科学与技术协同创新中心的卢明辉、刘晓平及陈延峰教授课题组在人工微结构物理与材料研究中取得重要进展,他们首次提出并实现了一种单片集成于压电铌酸锂基底的新型人工微结构材料——声表面波类石墨烯微结构材料。相关成果以“Surface Phononic Graphene”为标题于2016年9月5日在线发表于《自然•材料》杂志,(S.Y. Yu et al., Nature Material, 10.1038/NMAT4743 。

在固体物理中,两个能带交叉时通常会相互杂化打开能隙。而在一些材料的体态电子结构中,某些对称性的保护会导致能带交叉时不会杂化,出现能带简并。在理想情况下,这些能带简并刚好位于费米能级,并在费米能级没有其它能带, 这时材料的价带和导带之间的能隙为零,费米能级处的态密度也趋近于零,这些特征介于金属和绝缘体/半导体之间,属于半金属材料。这类半金属材料通常具有拓扑非平庸的电子态,因此被称为拓扑半金属。

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现有的理论认为,受到时空对称的限制,宇宙中只可能存在三种类型的费米粒子,即狄拉克费米子、外尔费米子、马约拉纳费米子。相比真实宇宙,固体材料中不具有洛伦兹不变量、时空结构不连续、遵守230种晶体空间群而不是庞加莱群,因此有可能存在新的费米准粒子,与粒子物理中传统意义上的费米粒子没有直接的对应关系。理论计算指出,在一些具有特殊晶体空间群的材料中可能存在三重、六重、八重能带简并点,附近的费米准粒子与传统费米粒子没有直接对应关系。

图-1 声表面波体系人工声学二维材料——表面声波类石墨烯微结构材料的示意图。电子显微镜照片:在压电材料铌酸锂(LiNbO3)基底表面,采用电化学生长的微结构蜂窝状镍柱阵列。

在体三维布里渊区中,拓扑半金属中的能带简并可以形成零维的点、一维的线甚至二维的面。人们所熟知的狄拉克半金属和外尔半金属的体态电子结构中存在零维的简并点,其中狄拉克点是四重简并的,外尔点是两重简并的,附近的低能准粒子激发分别被4×4的狄拉克方程和2×2的外尔方程描述,是无质量的三维狄拉克和外尔费米准粒子,与粒子物理中的狄拉克和外尔费米粒子对应。除此之外,狄拉克和外尔半金属的某些表面上存在费米弧表面态,连接体态中狄拉克点和外尔点在表面布里渊区的投影,这些表面态反映了它们的拓扑性质。

在信息和通讯技术急速发展的今天,不断提高对各种波动体系(如电子波、电磁波、声波等)及它们所对应的粒子和准粒子(电子、光子、声子等)的有效调控,是推进整个产业不断发展和进步的技术基础。在一些具有强散射特性的介质中,波动及粒子的传输根据散射体本身及所含杂质的不同,展现出多种形式,例如:局域(localization)、遂穿(tunnelling)、弹道型(ballistic)及扩散型(diffusive)传输等等。近十年以来,伴随着石墨烯材料及随之而来过渡金属二维材料(2D-materials)的出现,材料学家及物理学家们提出了一种全新的材料设计方案:基于相对论原理设计电子的能带结构,使其形成“零有效质量”的狄拉克费米子,并以此实现具有极低损耗、极高迁移能力的电子传输。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心T03组翁红明、方辰、戴希、方忠首先预言在具有WC晶体结构的材料中存在三重简并点。随后一系列理论计算工作表明,许多具有WC晶体结构的材料都存在三重简并点。物理所的理论计算、样品制备和实验测量团队合作,在具有WC晶体结构的MoP单晶中观测到三重简并点,附近准粒子激发被称为三重简并费米子,第一次实验证实超出传统类型的费米子,但这一工作只证明三重简并半金属态,其拓扑性质没有被确定。

所谓狄拉克费米子,指的是可以用狄拉克方程描述的、具有线性色散的费米子;狄拉克方程是构建相对论量子力学的基石之一,同时也促成了量子场论的诞生和发展。由狄拉克费米子人们可以进一步拓展至狄拉克准粒子的概念,即:一切可由狄拉克方程描述的量子,包含电子、光子及声子等等。这类粒子早在上个世纪初就已经在理论上进行了深刻的讨论,然而,由于缺乏行之有效的实验平台,长期以来理论所预言的许多新奇的效应一直未得到充分的实验证实,例如:由克莱因(Oskar Klein)在1929年提出的克莱因佯谬(Klein paradox)、由薛定谔(Erwin Schrödinger)在1930年提出的ZB效应(Zitterbewegung)等等。直到石墨烯出现之后,由于电子在其六边形布里渊区顶点附近展现出狄拉克准粒子的形式,相当一些物理问题才得到实验证实,取得了一系列重要发现,包括:量子霍尔效应、超导电性、具有亚泊松分布的量子散粒噪声等等。然而,由于石墨烯等几乎所有的二维材料,主要采用多次剥离或人工单层生长等方式进行制备,必然导致一些无法避免的结构缺陷或杂质;同时,由于“电子-电子”间及“电子-声子”间散射而导致电子波发生退相干,使得这些二维材料依然无法充分满足人们对探索更多物理问题的需要。例如ZB效应(作为狄拉克准粒子的电子和空穴相互干涉而导致的振荡现象)就未能在石墨烯或是其它固体电子系统中被证实。 因此,设计出某种“具有狄拉克准粒子,同时又能克服电子系统二维材料所面临的困难,以实现具有超高信号保真能力及相位分辨能力、易于设计且易于时域及空间信号测量的人工二维材料”,无论对于验证长久以来的物理预测,亦或是将狄拉克准粒子进一步推广到实际应用,都具有十分重要而深远的意义。

物理所SC10组陈根富指导博士后何俊宝生长出高质量WC单晶样品,EX7组丁洪和钱天指导博士生马均章在上海光源“梦之线”ARPES实验站系统测量了WC的电子结构,观测到体态中的三重简并点,与T03组翁红明指导博士生徐远峰的计算结果高度吻合。相比MoP,WC的三重简并点在费米能级附近,更容易表现出与三重简并费米子有关的物理性质。W 5d电子比Mo 4d电子具有更强的自旋-轨道耦合,导致较大的能带劈裂,实验测量结果与MoP相比也更加清晰。重要的是,他们在面观测到费米弧表面态,连接三重简并点在表面布里渊区的投影。经过T03组方辰、翁红明、戴希的仔细分析和理论计算,确定了WC中三重简并半金属态的拓扑性质,合理地解释了表面态观测结果。这是继狄拉克半金属和外尔半金属之后确定的又一类具有拓扑非平庸性质的半金属态。

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图-2 在蜂窝晶格的布里渊区顶点位置,表面声子发生能量简并,并具有满足狄拉克方程描述的线性色散关系。在71.8兆赫兹的狄拉克频率,材料中的声表面波显现出类似在完全无序介质中的“扩散”情形;这一情形随着狄拉克频率的远离而逐渐消失。

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