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彩8彩票-首页 EX7組供稿 第20期 2019年04月01日
北京凝聚態物理國家研究中心
實驗觀測到新型手性費米子
  手性是指一個物體與其鏡像不能重合的現象,就像我們的左手和右手。在相對論物理中,手性是指無質量粒子的自旋和動量方向平行或者反平行。外爾費米子就是一種具有手性的粒子,描述它的哈密頓量 \(H(k)=\vec{\sigma }\cdot \vec{k }\) 其中 \(\vec{\sigma }\)\(\vec{k }\)分别代表自旋和动量。在拓扑能带理论中,当固体中包围能带简并点的费米面具有非零的陈数,该简并点具有手性,被看作动量空间中的磁单极,费米面上的低能准粒子激发是具有磁荷的手性费米子。例如,固体中外尔点的陈数C = ±1,外尔费米子就是磁荷为1的手性费米子。手性的简并点在表面上的投影被螺旋结构的表面态环绕,其等能面就是费米弧,连接手性相反的简并点在表面的投影。
  在固體中已經實驗證實了三種類型的能帶簡並點,分別是二重簡並的外爾點、四重簡並的狄拉克點和三重簡並點。狄拉克點和三重簡並點都可以看成是一對手性相反的外爾點的疊加,手性相互抵消,所以狄拉克費米子和三重簡並費米子都沒有手性。但可以通過外加條件破缺對稱性,比如外加磁場,將它們退簡並成手性的外爾費米子。狄拉克半金屬和三重簡並點半金屬中表現出的許多物理性質,例如手性反常導致的負磁阻效應和表面態費米弧,本質上都是來源于手性的外爾費米子。
  發現外爾費米子之外的新型手性費米子不僅是拓撲半金屬領域上的突破,也可以爲探索手性費米子相關的物理現象提供更多的途徑,具有重要的科學意義和應用價值。近年來,理論上已經預言了多種類型的手性費米子以及相關的材料,但一直未能得到實驗證實。在衆多關于新型手性費米子的理論預言中,CoSi屬于能帶結構比較理想的材料,引起了國際上許多研究組的關注。不考慮自旋-軌道耦合的電子能帶或聲子譜計算顯示,在CoSi的體態布裏淵區的中心Г和頂角R點分別存在三重和四重能帶簡並點(圖1b)。與之前實驗證實的碳化鎢結構材料MoP、WC中的三重簡並點和Na3Bi、Cd3As2中的四重简并的狄拉克点不同的是,它们是陈数C = ±2的手性的简并点,费米面上的低能准粒子激发是磁荷为2的手性费米子,分别被命名为spin-1和charge-2费米子(图1c)。
  通过角分辨光电子能谱测量材料的体态和表面态电子结构,可以提供这些手性费米子的直接证据,但实验测量需要原子级平整的样品表面。CoSi是典型的三维材料,通常的解理方法难以得到原子级平整的表面。彩8彩票-首页/北京凝聚態物理國家研究中心与中国人民大学物理系合作,利用抛光-轰击-退火的方法,经过长时间的不断摸索,终于在CoSi单晶样品上得到原子级平整的表面,并在上海光源“梦之线”观测到清晰的体态和表面态能带。实验结果显示在体布里渊区的中心Г和顶角R点存在体态能带简并点,与理论计算结果高度吻合(图1d-f)。它们在(001)表面的投影被跨越整个布里渊区的超长表面态费米弧连接(图2a,b),在环绕单个简并点投影的闭合路径上存在两条手性的表面态能带,并且这两条闭合路径之间表面态能带的手性相反(图2c,d),标志着这两个能带简并点携带非零的陈数C = ±2,这是CoSi中存在新型手性费米子的确定证据。该实验结果不仅证明了新型手性费米子的存在,而且提供了一个较为理想的平台去探索由手性费米子引起的新奇物理现象。
  这个工作是在中科院物理所EX7组丁洪研究員、钱天研究員和孙煜杰副研究員组成的研究团队和多个研究组的紧密合作下完成的。中国人民大学物理系博士生田尚杰、硕士生李承贺和雷和畅副教授、物理所EX1组博士生王乐和石友国研究員、物理所N08组博士后李治林提供了高质量的CoSi单晶样品;物理所EX7组博士生饶志成、博士生唐岑瑶和孙煜杰副研究員用抛光-轰击-退火的方法处理出原子级平整的表面,在样品定向过程中得到了物理所EX6组博士生刘哲宏和龙有文研究員的帮助;物理所T03组博士生张田田和翁红明研究員进行了能带计算,方辰研究員和翁红明研究員提供了理论指导;物理所EX7组博士生饶志成、博士生李航、博士生付彬彬和钱天研究員在上海光源“梦之线”进行了ARPES实验测量,实验过程中得到了上海光源黄耀波研究員的全力支持。
  相關研究成果于2019年3月20日在線發表于Nature雜志。該工作得到了科技部(2016YFA0401000,2015CB921000,2016YFA0300600,2016YFA0300504,2016YFA0302400,2018YFA0305700,2017YFA0302901),國家自然科學基金委(11622435,U1832202,11474340,11822412,11574371,11674369,11574394,11774423,11774399),中國科學院(QYZDB-SSW-SLH04,XDB07000000,XDPB08-1),科學挑戰計劃(TZ2016004),王寬誠教育基金會(GJTD-2018-01),北京市自然科學基金委(Z180008),北京市科委(Z171100002017018,Z181100004218005,Z181100004218001)的資助。
图1. CoSi的体态电子结构。(a)体布里渊区和(001)表面布里渊区。(b)第一性原理计算的沿着高对称线的体态能带结构。(c)外尔费米子、狄拉克费米子、spin-1费米子、charge-2费米子的能带结构示意图。(d-f)沿Г-R、R-X、Г-M方向测量的体态能带色散,实验数据是在体态灵敏的软X射线下采集的,红色曲线是理论计算结果。
图2. CoSi的(001)表面态。(a)在(001)表面上实验测量的表面态的费米面,实验数据是在表面态灵敏的极紫外光下采集的。(b)从费米面数据中提取出的表面态费米弧。(c,d)在围绕体态能带简并点的表面投影的闭合路径loop #1和loop #2上的能带色散。(e)陈数符号相反的体态能带简并点在表面上的投影被手性相反的表面态环绕,这样的表面态的等能面就是拓扑稳定的费米弧连接它们的投影。
下載附件>> s41586-019-1031-8.pdf
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