“拓撲”是數學中的一個概念,近年來被廣泛應用于物理領域。隨著拓撲能帶理論研究的不斷深入,涌現出形形色色的對稱性保護的拓撲量子物態(tài),如拓撲絕緣體、拓撲半金屬、拓撲超導等等。這些拓撲態(tài)中的準粒子激發(fā)可以類比于高能物理中的費米基本粒子,如拓撲絕緣體邊界態(tài)中的二維無質量狄拉克費米子、狄拉克半金屬中的三維無質量狄拉克費米子、外爾半金屬中的外爾費米子、拓撲超導中的馬約拉納零能模。在2015年,中科院物理所丁洪研究員和錢天副研究員共同指導博士生呂佰晴,在上海光源“夢之線”首次從實驗上發(fā)現了外爾費米子【Physical Review X 5, 031013 (2015)】,該成果分別入選了美國和英國物理學會評選的2015年國際物理學八大亮點和十大突破,以及2015年中國科學十大進展和中國十大科技進展新聞。
2016年初,普林斯頓大學的王志俊博士和Bernevig教授及合作者從理論上提出了具有非點空間群的拓撲絕緣體,在邊界存在滑移面保護的拓撲表面態(tài)。該表面態(tài)的能帶結構形態(tài)類似沙漏,其低能激發(fā)的準粒子被命名為沙漏費米子,區(qū)別于其它拓撲絕緣體中的狄拉克費米子(圖1)。他們還預言了首個非點群拓撲絕緣體KHgX (X = As, Sb, Bi)系列。
中科院物理所丁洪研究員和錢天副研究員指導博士生馬均章和呂佰晴,在上海光源“夢之線”角分辨光電子能譜(ARPES)實驗站對非點群拓撲絕緣體KHgSb的電子結構進行了細致的測量,觀測到沙漏型色散的表面態(tài),提供了沙漏費米子的實驗證據。物理所石友國研究員和博士生伊長江提供高質量的KHgSb單晶樣品,普林斯頓大學王志俊博士和物理所博士生聶思敏和翁紅明研究員進行了能帶計算。
KHgSb具有非點群的晶體結構,存在滑移軸和滑移面(圖2A)。理論計算表明,滑移面
保護(010)表面布里淵區(qū)
方向具有沙漏型的表面態(tài)能帶(圖2F),而在(001)表面體態(tài)能隙中不存在任何表面態(tài)(圖2E)。丁洪課題組在“夢之線”上用ARPES分別測量了KHgSb不同解理面的電子結構。在(001)面清晰地觀測到體態(tài)能帶,揭示了體態(tài)能隙中沒有表面態(tài)(圖2C)。在(010)面體態(tài)能隙中觀測到了表面態(tài)。通過測量(010)表面布里淵區(qū)不同方向表面態(tài)的能帶色散,總結出(010)表面態(tài)電子結構(圖2D),與計算結果高度一致,提供了非點群拓撲絕緣體存在沙漏費米子的第一個實驗證據。
這一研究成果5月5日在線發(fā)表在【Science Advances 3, e1602415 (2017)】上。物理所石友國、錢天和丁洪為該文共同通訊作者,物理所博士生馬均章、伊長江、呂佰晴和普林斯頓大學王志俊博士為該文共同第一作者。該工作得到了科技部“國家重大科學研究計劃”和“國家重點研發(fā)計劃”、國家自然科學基金委和中國科學院先導B項目的支持。
論文鏈接:http://advances.sciencemag.org/content/3/5/e1602415

圖1:(A)和(B)分別為具有點群空間對稱性的拓撲平庸和非平庸絕緣體表面態(tài)能帶示意圖。(C)和(D)分別為具有非點群空間對稱性的拓撲平庸和非平庸絕緣體表面態(tài)能帶示意圖。

圖2:(A)KHgSb晶體結構示意圖,黃色的面代表滑移面
。(B)體態(tài)以及不同表面投影的布里淵區(qū)示意圖。(C)ARPES實驗測量的(001)面能帶色散。(D)從ARPES實驗結果提取的(010)面表面態(tài)電子結構。(E)理論計算的(001)面能帶投影。(F)理論計算的(010)面能帶投影,
方向具有沙漏型的表面態(tài)能帶。