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清华物理系研究人员首次在实验上实现第二类外尔费米子
爱因斯坦 2016-09-08
导语

清华大学物理系周树云、陈曦和富士康纳米科技中心吴扬,在《自然物理》在线发表题为“第二类外尔半金属二碲化钼中拓扑费米弧的实验证实”的论文,首次报道了破坏洛伦兹不变性的第二类外尔半金属二碲化钼的拓扑费米弧实验证据。

图1: 第一类和第二类外尔半金属电子结构示意图。

清华新闻网9月8日电  9月5日,清华大学物理系周树云、陈曦和富士康纳米科技中心吴扬,在《自然物理》在线发表题为“第二类外尔半金属二碲化钼中拓扑费米弧的实验证实”的论文,首次报道了破坏洛伦兹不变性的第二类外尔半金属二碲化钼的拓扑费米弧实验证据。

近年来,伴随着凝聚态能带拓扑理论的发展,大量的新奇粒子在新型量子材料中得以实现,其中典型的例子是“外尔费米子”(Weyl fermion)。外尔费米子的概念最早在高能物理中提出。近年来研究人员发现在被称为“外尔半金属”(Weyl semimetal)的拓扑材料中,其低能准粒子激发与外尔费米子满足相同的物理规律。有趣的是,高能物理中必须满足的洛伦兹不变性,在凝聚态物理中却不需要遵守。因此,在固体材料中有可能存在不满足洛伦兹不变性的外尔费米子。

为了与保持洛伦兹不变性的第一类外尔费米子区别,这类新型的外尔费米子被称为“第二类外尔费米子”,相应的拓扑材料称为“第二类外尔半金属”。第二类外尔半金属具有众多新奇的量子现象,例如,沿某一方向严重倾斜的狄拉克锥(破坏洛伦兹不变性),受拓扑保护的非闭合费米弧表面态,以及理论预言的各向异性磁输运性质等。因此自从被理论预言后,第二类外尔费米子就引起了研究人员的广泛关注。 

最有望实现第二类外尔费米子的材料体系是Td相的二碲化钼(MoTe2)。高质量的单晶样品是实验成功的基础,实验测量所需的大面积、高质量的单晶样品的制备在清华-富士康纳米中心完成。研究者结合角分辨光电子能谱(ARPES)和扫描隧道谱(STS)两种互补的表面敏感实验技术,结合第一性原理计算结果,验证了二碲化钼作为第二类外尔半金属的基本特征 - 严重倾斜的狄拉克锥和来自于拓扑表面态的非闭合费米弧。由于二碲化钼中的外尔点存在于材料的费米能以上,且外尔点附近存在大量体能带造成的态密度包裹,精细的费米弧表面态分布在空穴和电子能带之间的微小能隙里,使得传统观测第一类外尔点和费米弧的手段不再奏效。

周树云研究组结合自主搭建的四倍频的6.3 eV激光光源(对体材料性质敏感)和同步辐射的低能高通量光源(对表面态电子敏感)的角分辨光电子能谱,区分出了体能带和表面态的贡献,并锁定了拓扑表面态的位置和色散,成功观测到平庸表面态和空穴体能带间微小能隙中的非闭合费米弧。进一步结合陈曦研究组的扫描隧道谱测量以及张海军的第一性原理计算,确认了该非闭合弧线正是拓扑费米弧。该工作首次直接从实验上完整地证实了Td相的二碲化钼是第二类外尔半金属,不仅为凝聚态中实现标准模型奇异粒子建立了新的范本,也为层状材料实现拓扑电子学器件开辟了新的体系。

图2: 结合角分辨光电子能谱、扫描隧道显微谱实验测量结果和第一性原理计算得到的拓扑表面态。

清华大学物理系的博士生邓可、万国良和邓鹏同学为论文共同第一作者,清华大学物理系的周树云副教授、陈曦教授和清华-富士康纳米科技中心的吴扬博士为该文的共同通讯作者,南京大学的张海军教授提供了理论计算,清华大学高等研究院的姚宏研究员和物理系段文晖研究组也为该项研究提供了理论支持。该课题是在国家自然科学基金委、国家科技部、清华大学自主研发项目和清华-富士康纳米科技研究中心经费支持下完成。

论文链接:

Ke Deng, et al, "Experimental observation of topological Fermi arcs in type-II Weyl semimetal MoTe2," Nature Physics

周树云副教授简介:

清华大学物理系副教授,Email:szhouTHU@gmail.com

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研究方向:低维量子材料以其丰富的物理和新奇的量子现象,成为凝聚态物理的重要研究方向。我们的研究聚焦于新型的二维材料(例如石墨烯,新型过渡金属硫族化合物新成员PtSe2等)以及各种由不同层状材料组成的人工复合异质结构(例如石墨烯/氮化硼、拓扑绝缘体/高温超导体等)。我们利用多种尖端电子能谱技术,研究量子尺寸效应对电子结构、自旋结构、能隙调控的影响,以及异质界面处的耦合和近邻效应。通过测量量子材料处于平衡态(静态)和非平衡态(动态)的电子结构,我们可以直接获得电子能量、动量、自旋以及时间等多维信息,探索与材料特性直接相关的物理机制。

陈曦教授简介:

清华大学物理系教授,Email:xc@mail.tsinghua.edu.cn

个人主页:点击此处进入

研究方向:实验凝聚态物理,目前集中在低维量子物质的制备与物理性质研究。

(本文信息来源:清华大学网站)

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作者 爱因斯坦

科研工作者

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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