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中国赌城:在重费米子体系中发现外尔费米子激

发布时间:2019-08-22 06:24编辑:中国制造浏览(200)

    作者:郭春煜1刘洋1曹超2袁辉球1

    1928年,狄拉克提出了描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年,德国科学家外尔(Hermann Weyl)指出,当质量为零时,狄拉克方程描述的是一对重叠的具有相反手性的新粒子,即外尔费米子。这种神奇的粒子带有电荷,却不具有质量。但是80多年过去了,人们一直没有能够在实验中观测到外尔费米子。中微子曾经被认为是外尔费米子,但是后来发现中微子其实是有质量的。近年来,拓扑绝缘体,尤其是拓扑半金属等新奇量子态研究的快速发展为在凝聚态体系中实现和观测外尔费米子提供了新的思路。其中备受瞩目的就是找到真实的外尔半金属材料。当两个自旋非简并的能带在费米能级附近线性交叉时,其低能准粒子激发态与外尔费米子的行为一致,这类材料体系被称为外尔半金属。理论预言,由于外尔费米子态的存在,外尔半金属会呈现出诸多奇异的物理现象,比如在体能带结构中成对出现,具有相反手性的外尔锥;在晶体表面上有连接两个外尔点表面投影的开放的费米面,即费米弧。此外,由于不同手性外尔费米子互相分离,会导致奇特的手性反常效应。所谓手性反常,是指材料中具有某种确定手性的电子的数量在某些条件下不守恒。直观的说,就是当外加的磁场平行于电场时,在磁场不是很大的情况下,体系的电阻随磁场的增加迅速减少,即负的磁电阻现象。外尔费米子这些优异的性质使其在新型电子器件开发和拓扑量子计算等领域有着广泛的潜在应用前景。

    近日,浙大关联物质研究中心袁辉球教授带领的研究团队在重费米子体系中发现外尔费米子存在的实验证据,将外尔半金属的研究拓展到强关联电子体系中,为研究电子关联效应与能带拓扑结构的相互作用提供了新的平台。

    1 浙江大学关联物质研究中心)

    如何找到合适的外尔半金属材料体系是一个极具挑战性的科学问题,也是该领域国际竞争的焦点之一。突破来自狄拉克半金属材料理论预言与实验证实,人们在这类拓扑半金属里实现了无质量的狄拉克电子态。自然希望通过解除其狄拉克锥上的自旋简并,使其劈裂成手性的外尔锥,从而将其调制为外尔半金属。这一过程可以通过破缺时间或空间反演对称性来实现。按照这一思路,众多理论和实验工作迅速开展。然而,这些理论预言大多是通过引入磁性原子破坏时间反演对称性或者通过连续掺杂调控组分及能带结构实现外尔电子态。体系中磁性原子带来的磁畴以及杂质原子对平移对称性的破坏无疑会严重阻碍实验上对外尔费米子本征性质的研究。

    这项研究成果发表在11月5日上线的知名期刊《自然通讯》(Nature Communications)。物理学系博士研究生郭春煜为论文第一作者,袁辉球为论文通讯作者,团队主要成员包括关联物质研究中心的刘洋研究员和Michael Smidman研究员以及杭州师范大学物理系的曹超教授。

    2 杭州师范大学物理系)

    最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室翁红明、方忠、戴希及其合作者,通过第一性原理计算,首次理论预言TaAs家族材料是外尔半金属【H. Weng et al., 中国赌城,Phys. Rev. X 5, 011029 。与之前的理论预言不同,TaAs这类材料通过破缺空间反演对称性实现外尔电子态,并且无需进行掺杂等细致繁复的调控有利于实验的验证。这一结果立刻引起了实验物理学家的重视,许多研究组开始了竞赛般的实验验证工作。

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    凝聚态物质中的拓扑序和拓扑相变是物理学中的一个重要发现,它突破了基于对称性破缺的经典朗道理论,解释了包括涡旋激发、量子霍尔效应等在内的许多新现象。近年来,人们在凝聚态材料中发现了一系列受对称性保护的拓扑量子物态,例如拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属等1—4]。这些拓扑材料表现出独特的电子性质,在自旋电子器件以及量子计算等方面具有独特的应用前景。寻找新型拓扑材料、揭示新的拓扑物性仍是当今前沿热点研究问题。

    其中,物理所陈根富小组首先制备出了高质量TaAs晶体,丁洪小组副研究员钱天与博士生吕佰晴利用上海光源“梦之线”ARPES实验站立即对TaAs表面电子态进行了高精度测量。通过与翁红明、戴希、方忠紧密合作,结合第一性原理计算结果,证实了表面费米弧的存在,并且确定了费米弧与外尔点在表面投影的连接方式,提供了TaAs材料外尔电子态的直接实验证据【B. Q. Lv, H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 031013 。随后,丁洪小组及其瑞士保罗谢勒研究所的合作者进一步测量了TaAs体电子态,直接观测到外尔点及其附近的三维狄拉克锥,提供了进一步的实验证据【B. Q. Lv, N. Xu, H. Weng et al., Nat. Phys.(DOI: 10.1038/NPHYS3426)。与此同时,陈根富小组的博士生黄筱淳和赵凌霄通过精确的电输运测量,首次在TaAs单晶中观测到了由手性反常导致的负磁阻效应,进一步从输运的角度证明了外尔费米子的存在【X. C. Huang, L. X. Zhao et al., Phys. Rev. X 5, 031023 。在该实验过程中,研究员吕力给予了极大帮助。以上一系列工作是自1929年外尔费米子被提出以来,首次在凝聚态物质中证实存在外尔费米子态,具有非常重要的科学意义。

    “拓扑”与外尔费米子

    外尔半金属是一类重要的拓扑半金属材料,由于其准粒子低能激发与外尔费米子具有类似的性质而得名。1929 年,赫尔曼·外尔(Hermann Weyl)通过对狄拉克方程做了零质量简化,得到了所谓的外尔方程,其描述的就是质量为零且具有自旋手性的外尔费米子5]。寻找外尔费米子一直是高能物理领域中的一个重要课题,然而迄今尚未在实验上找到相应的粒子。近年来,人们在一些凝聚态物质的电子结构中发现成对出现的外尔点,这些外尔点在表面上的投影由费米弧连接,即一段不闭合的费米面4]。外尔半金属表现出许多新奇电学特性,例如线性巨磁阻、手性反常效应和反常霍尔效应等。

    这些工作得到了科技部“973”项目、国家自然科学基金委和中国科学院先导B项目的支持。

    我们可以用两样生活中常见的东西来解释什么是拓扑:甜甜圈和咖啡杯。咖啡杯的把手与杯身形成一个孔洞,甜甜圈也有个孔洞,只要这个孔洞没有消失,同时也没有产生新的孔洞,它们在拓扑的层面上是相同的。也就是说,物体的拓扑性质精简了具体的几何细节,只考虑几何不变性的特征。拓扑学最早指的是地质学中的地形、地貌研究,而几何拓扑学则是形成于十九世纪的一门数学分支。近年来,拓扑学这个概念被引入到凝聚态物质中,用来研究固体材料的能带结构及相关电子性质。

    迄今为止,绝大部分实验中确认的外尔半金属均属于弱关联电子体系。在这些材料中,由于电子间关联效应较弱,第一性原理计算往往能比较准确地预言其能带结构和拓扑性质,并且能被角分辨光电子能谱等实验证实。那么,强关联电子体系中是否也存在外尔费米子?电子关联效应与拓扑序相结合后会产生什么新的现象?怎样来探测强关联电子体系中的拓扑性质?

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    外尔费米子是德国科学家威尔曼·外尔在1929年预言的,是一种零质量的费米子。此后近一个世纪的时间里,物理学界一直没有放弃对它的探求。最近人们发现,一些凝聚态材料中的准粒子激发与外尔费米子相似,这为寻找外尔费米子开拓了新的方向,具有重要物理意义。另外,由于受到拓扑保护,具有相反手性的两个外尔费米子之间的散射很弱,这对解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题具有重要应用价值。

    重费米子是一类典型的强关联电子体系,通常存在于含有f 电子的镧系或者锕系金属间化合物中6—8]。在重费米子体系中,随着温度的降低,局域的f 电子通过近藤效应与导带电子集体杂化而产生巡游的重电子,其有效质量可高达自由电子质量的上千倍,“重费米子”因此而得名。在这类材料中,局域电子与巡游电子间的近藤相互作用还会打开一个小的杂化能隙。当费米能级位于杂化能隙之内时,材料呈现出绝缘体或者半导体行为,这类材料又称近藤绝缘体或者半导体。而在更多的情况下,费米能级穿过导带或价带,材料表现出金属行为。因此,重费米子体系可以呈现出非常丰富的量子特性。1979年,德国科学家Frank Steglich 教授(现为浙江大学关联物质研究中心主任)首次在重费米子金属CeCu2Si2中发现超导,这也是第一个非常规超导体9]。到目前为止,人们已经在40 多个重费米子材料中观察到超导现象。重费米子超导表现出许多与高温超导相似的性质,对研究高温超导机理具有重要借鉴意义。另一方面,由于重费米子体系的特征温度(例如超导转变温度、磁性相变温度和近藤温度等)都比较低,其基态连续可调,因而是研究量子相变的理想体系。

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    外尔费米子变“重”了

    图1 传导电子与局域电子,在低温下杂化形成近藤绝缘体或者近藤金属

    图1 实验和计算获得的TaAs 表面态费米弧

    在先前发现的大部分外尔半金属材料中,电子之间的相互作用都比较弱,其物理图像相对简单。“电子关联效应对拓扑量子态有什么影响?外尔费米子是否可以存在于一些强关联电子体系?这是物理学家们更关心的一个问题。”袁辉球这样说。

    近年来,人们一直致力于在重费米子材料中寻找拓扑量子态。当重费米子材料的局域f 电子与传导电子能带具有不同的宇称(或更一般地,属于同一对称性的不同表示时),其近藤相互作用会打开一个杂化能隙,导致f 电子与传导电子的能带发生反转,在费米面附近出现受拓扑保护的表面态。然而,由于电子的多体相互作用以及f 电子的窄能带特性等因素,重费米子体系中的拓扑态研究也要比弱关联电子体系复杂得多。

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    重费米子材料是一类典型的具有强电子相互作用的材料体系,主要存在于镧系和锕系化合物中。顾名思义,重费米子体系的电子有效质量很“重”,可达自由电子质量的1000倍以上。人们普遍认为,这种有效质量的增加是电子之间通过近藤效应产生的。先前的研究表明,重费米子体系具有丰富的宏观量子现象,是研究非常规超导和绝对零度下的量子相变的理想材料体系。那么,在这样一类关联电子材料中,是否存在外尔费米子等拓扑量子态呢?

    在已知的材料中,SmB6被认为是一个潜在的拓扑近藤绝缘体。该材料具有高对称的立方晶体结构,并且在费米能附近只有d 电子和f 电子能带。最近的一系列实验表明,SmB6中存在表面金属态,如样品厚度对输运性质的影响10],角分辨光电子能谱11],扫描隧道显微镜12]以及非局域输运性质测量13]等。另一方面,该材料表现出独特的量子振荡行为14,15],目前其机制尚存在争议。除了SmB6以外,最近人们在YbB1216]、CeNiSn17]等近藤晶格材料中也观察到了拓扑表面态的迹象。

    图2 TaAs体态外尔点和表面态费米弧的关系

    从字面意思来看,重费米子和外尔费米子的概念似乎是矛盾的。外尔费米子在理论上来说是没有质量的,而重费米子的有效质量却很重。一个没有质量的粒子又怎么会“重”呢?实际上,外尔费米子的“零质量”是指一种独特的能量色散关系:在外尔节点附近,外尔费米子的能量与它的波矢成正比关系,其比例系数是个常数。若外尔节点位于费米能级附近,该常数即为费米速度。在重费米子材料中,由于电子有效质量大,它的运动速度远低于普通材料中的电子,但其能量同样可以遵循线性色散关系。

    类似于拓扑近藤绝缘体,人们也一直在重费米子体系中探索是否存在近藤狄拉克或者外尔半金属。理论计算表明,重费米子半金属CeRu4Sn6的能带结构中可能存在8—12 对外尔点18],但由于其能带结构的复杂性,这一理论预言尚未被实验佐证。最近的低温比热测量表明,重费米子半金属Ce3Bi4Pd3的能带可能存在外尔点19]。然而,在分析低温电子比热时,该文章引入了一些假设,因而Ce3Bi4Pd3的拓扑性质仍有待进一步确认。寻找新型拓扑近藤半金属材料,研究电子关联效应对外尔点的影响以及可能诱导的新物理现象,亟待更多的实验和理论研究。

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    从字面意思来看,重费米子和外尔费米子的概念似乎是矛盾的。外尔费米子在理论上来说是没有质量的,而重费米子的有效质量却很重。一个没有质量的粒子又怎么会“重”呢?实际上,外尔费米子的“零质量”是指一种独特的能量—动量色散关系:在外尔点附近,外尔费米子的能量与它的波矢成正比关系,其比例系数也即费米速度是个常数。在重费米子材料中,虽然电子有效质量大,费米速度小,但重费米子能带同样可以遵循线性色散关系。

    图3 TaAs的负磁阻现象

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    理论上讲,寻找近藤外尔半金属有两种可能的途径。第一种方法是在一个存在外尔点的半金属材料中,通过适当的方法引入近藤效应而使能带重整化,从而得到近藤外尔半金属相。另一种可能的方法是在近藤半金属/半导体材料中,通过调节电子相互作用以及自旋—轨道耦合强度等参数,实现能带的拓扑转变,从而得到近藤外尔半金属相。

    通过多种宏微观性质的实验测量,并结合能带计算,袁辉球团队首次在重费米子材料YbPtBi中发现了外尔费米子的实验证据,观察到了外尔电子态随电子相互作用变化所呈现出来的一些新颖性质。这些发现不同于先前研究的其它材料体系,为研究拓扑态与电子关联效应以及拓扑相变提供了一个新的平台。论文审稿人指出,“该工作将成为研究具有近藤相互作用的外尔费米子半金属的一个范例”。

    YbPtBi 是一个典型的重费米子半金属材料20]。通过多种宏微观物性测量并结合能带计算,我们首次在该材料体系中发现了外尔费米子的实验证据,观察到外尔电子态随电子相互作用变化所呈现出来的一些新颖性质21]。

    该项研究受到国家重点研发项目、国家自然科学基金委以及科学挑战专项的资助。

    在高温区间,4f 电子是局域的,与周围的巡游电子杂化比较弱,类似于弱关联电子材料。角分辨光电子能谱测量与能带计算的结果表明,该材料的能带结构中存在三重简并点,并且位于费米能级附近。在外加磁场下,这些三重简并点将进一步劈裂,从而形成外尔点。通过转角磁阻测量,我们也证实了外尔点的存在,观测到了明显的手性反常效应。

    (文 史又月/摄影 卢绍庆)

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    论文链接:

    图2 YbPtBi 的高温拓扑性质

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