節(jié)線型拓?fù)浒虢饘僦写嬖谀軒ХD(zhuǎn)導(dǎo)致的一維節(jié)線型非平庸拓?fù)潆娮討B(tài)和對(duì)應(yīng)的鼓膜狀表面態(tài)。不同于孤立的節(jié)點(diǎn),受拓?fù)浔Wo(hù)的一維節(jié)線有各種構(gòu)型,比如直線型,曲線型,環(huán)狀等。特別是當(dāng)節(jié)線靠近費(fèi)米能級(jí)時(shí),材料會(huì)表現(xiàn)出更為新奇的物理性質(zhì)。最近,理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)在SrAs3一類材料(CaP3,SrP3,CaAs3和SrAs3等)的費(fèi)米能級(jí)附近存在極為簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)環(huán)(nodal ring)拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)。并且,磁阻和量子震蕩實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)手性電子誘導(dǎo)的負(fù)磁阻和非平庸貝里相位等節(jié)線型拓?fù)潆娮討B(tài)存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。但是,仍然欠缺最為直接的電子能譜實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所劉中灝、沈大偉研究員課題組,與北京師范大學(xué)教授殷志平課題組以及南京大學(xué)教授溫錦生課題組開展合作研究,通過合肥光源和上海光源的高分辨角分辨光電子能譜(ARPES)實(shí)驗(yàn)線站并結(jié)合第一性原理計(jì)算對(duì)高質(zhì)量的SrAs3單晶樣品的低能電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究。該工作利用ARPES實(shí)驗(yàn)技術(shù),通過改變光子能量,在極低能量光子下(9~20 eV)直接觀測(cè)到了SrAs3材料中布里淵區(qū)Y 點(diǎn)費(fèi)米能級(jí)附近的節(jié)點(diǎn)環(huán)拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)。第一性原理計(jì)算表明,該節(jié)點(diǎn)環(huán)是由As的4p 軌道能帶翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致,受到空間、時(shí)間對(duì)稱性和晶面對(duì)稱性的保護(hù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與之前報(bào)道的節(jié)線型拓?fù)浒虢饘俨煌摬牧腺M(fèi)米能級(jí)附近的電子結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單干凈,即只存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)環(huán)構(gòu)成的費(fèi)米面,與其他拓?fù)淦接沟哪軒o相互干涉。因此,SrAs3一類材料是研究節(jié)線型拓?fù)淞孔討B(tài)及其新奇輸運(yùn)性質(zhì)的理想平臺(tái),并具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。另外,該研究過程中發(fā)現(xiàn)As 4p 軌道散射截面對(duì)光電子能譜強(qiáng)度有著重要影響,費(fèi)米能級(jí)附近As 4p 軌道貢獻(xiàn)的電子結(jié)構(gòu)只在極低能量光子下才有可能被清晰觀測(cè)到。合肥同步輻射光源ARPES線站在該光子能量區(qū)段亮度和分辨率優(yōu)勢(shì)明顯,對(duì)利用光電子譜實(shí)驗(yàn)研究類似材料有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖1.(a)SrAs3晶體原胞結(jié)構(gòu)。(b)SrAs3布里淵區(qū)。位于Y-G-S 平面內(nèi)的紅色環(huán)為nodal ring拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)。(c)第一性原理計(jì)算的沿高對(duì)稱性方向的費(fèi)米能級(jí)附近的能帶結(jié)構(gòu)。Y 點(diǎn)附近的As 4p 軌道能帶翻轉(zhuǎn)。(d)As 4p 軌道的散射截面。17 eV對(duì)應(yīng)的散射截面比50 eV對(duì)應(yīng)值高出約兩個(gè)量級(jí)。考慮到光電流強(qiáng)度和散射截面的平方關(guān)系,理論上17 eV對(duì)應(yīng)的光電流強(qiáng)度比50 eV對(duì)應(yīng)值高出約四個(gè)量級(jí)。(e)通過改變光子能量測(cè)量的Y 點(diǎn)附近nodal ring拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)。
成果鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.056402