中科院物理研究所極端條件七組(EX7)丁洪研究員、錢天研究員通過研究該所超導國家重點實驗室十組(SC10)陳根富研究員提供的樣品,確定了碳化鎢(WC)中三重簡并半金屬態(tài)的拓撲性質(zhì),合理解釋了表面態(tài)觀測結(jié)果。這是繼狄拉克半金屬和外爾半金屬之后確定的又一類具有拓撲非平庸性質(zhì)的半金屬態(tài)。相關(guān)工作發(fā)表在Nature?Physics期刊上。?
中科院物理所研究人員前期理論和實驗工作中,在具有WC晶體結(jié)構(gòu)的MoP單晶中觀測到三重簡并點,其附近準粒子激發(fā)態(tài)被稱為三重簡并費米子。他們的工作首次實驗證實固體材料中存在超出傳統(tǒng)類型的費米子,該結(jié)果發(fā)表在【Nature?546,?627-631?(2017)】。但是,這個工作只證明了三重簡并半金屬態(tài),其拓撲性質(zhì)沒有被確定。
本次工作中,中科院物理所超導十組陳根富研究員指導其博士后何俊寶生長出高質(zhì)量WC單晶樣品。極端條件七組丁洪研究員、錢天研究員指導其博士生馬均章在ARPES實驗中觀測到WC體態(tài)中的三重簡并點(圖1d,e),與計算結(jié)果高度吻合(圖1b,f)。與MoP相比,WC的三重簡并點在費米能級附近,更容易表現(xiàn)出與三重簡并費米子有關(guān)的物理性質(zhì)。W?5d電子比Mo?4d電子具有更強的自旋-軌道耦合,導致較大的能帶劈裂,實驗測量結(jié)果與MoP相比也更加清晰。重要的是,他們在(100)解理面觀測到費米弧表面態(tài),連接三重簡并點在(100)表面布里淵區(qū)的投影(圖2a,c,f)。經(jīng)過仔細分析和理論計算(圖2b,d,g),確定了WC中三重簡并半金屬態(tài)的拓撲性質(zhì),合理地解釋了表面態(tài)觀測結(jié)果。
丁洪研究員和錢天研究員指導博士生馬均章開展的實驗研究中,部分實驗得到了穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(SHMFF)水冷磁體的支持,在最高38T強磁場下開展了量子震蕩測量,研究WC的費米面結(jié)構(gòu)。量子震蕩數(shù)據(jù)能很好地直觀提供體態(tài)的費米面結(jié)構(gòu)信息,從而彌補了ARPES只能觀測表面淺層電子態(tài)信息的缺陷。SHMFF實驗的數(shù)據(jù)和ARPES測量結(jié)果很好的吻合,進一步為該材料中存在三重簡并費米子提供了證據(jù)。?
????論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41567-017-0021-8。
圖1.?WC體態(tài)電子結(jié)構(gòu)中存在三重簡并點。a)四重簡并狄拉克費米子、三重簡并費米子以及兩重簡并外爾費米子能帶結(jié)構(gòu)示意圖。b)沿布里淵區(qū)高對稱線體態(tài)能帶結(jié)構(gòu)計算結(jié)果。沿ΓA方向,兩重簡并(綠色)和自旋非簡并(紅色)能帶交叉形成四個三重簡并點,其中#1在費米能級之下,可以被ARPES探測到。c)體布里淵區(qū)。cut1(綠色)和cut2(紅色)分別沿kz和ky方向穿過三重簡并點#1。d)沿cut1觀測到的能帶色散,圖中曲線是能帶計算結(jié)果。e)沿cut2觀測到的能帶色散。f)沿cut2的能帶計算結(jié)果。