北理工在二維狄拉克“節線”半金屬研究中取得重要進展
發布日期：2018-01-17 供稿：物理學院
編輯：周格羽 審核：蘇文勇 閱讀次數：日前，北京理工大學姚裕貴教授課題組（博士研究生付波濤、姚裕貴教授），同日本東京大學的馮寶杰博士、Matsuda教授以及中科院物理所陳嵐、吳克輝等人合作的研究工作取得重要突破，在實驗上首次觀測到二維狄拉克“節線”半金屬。
“拓撲半金屬”是一種不同于“拓撲絕緣體”的新型拓撲電子態，其具有特殊拓撲的表面態（費米弧、鼓膜表面態）、奇異的磁輸運性質（如負磁阻、巨磁電阻）以及極高的載流子遷移率等優點。根據費米面附近的能帶交叉點維度不同，拓撲半金屬可以分為拓撲節點半金屬（零維），拓撲節線(Nodal Line)半金屬（一維），拓撲節面半金屬（二維）。其中對于拓撲節線半金屬，其交叉點在布里淵區中形成連續閉合的一維曲線。拓撲節線半金屬最早在三維體系中提出，由于其具有獨特鼓膜狀的表面態，使得它可能在高溫超導領域有潛在應用。三維體系中拓撲節線半金屬最近也陸續被一些實驗證實，比如PtSn4，ZrSiS，TITaSe2等。在二維材料中也有理論預言可以存在對稱性保護的二維節線半金屬，然而一直缺乏實驗證實。
圖1 單層CuSi2的晶體結構圖和電子結構圖
(a) 結構俯視和測視圖，橘黃色表示Cu原子，藍色表示Si原子；(b) 第一性原理計算的能帶結構圖，不考慮自旋軌道耦合效應；(c) 費米面分布圖 (d) 動量空間中狄拉克節線分布圖
圖2 實驗測量生長在Cu(111)襯底上的單層CuSi2
(a) 藍色表示CuSi2布里淵區，黑色表示Cu(111)表面布里淵區；(b)(c)ARPES測量費米面處和費米以下0.5eV處等能面圖； (e)(f)(g) ARPES測量沿著高對稱路徑的能譜密度圖
在該工作中，他們通過理論上第一性原理計算和實驗上角分辨光電子譜測量證實了單層的Cu2Si體系是一種二維節線半金屬。發現在費米能級附近，體系的一條導帶和兩條價帶相交，在布里淵區中間區域形成兩套封閉的節線。兩套節線分別呈現六邊形和六角梅花形。進一步通過對稱性分析揭示了發現這種節線半金屬受到垂直方向的鏡面對稱性保護。如果破壞體系對稱性，原本無能隙的節線會打開能隙。但是在一些高對稱方向依然有能隙閉點，形成類似于石墨烯體系中的狄拉克點。實驗上Cu2Si生長在Cu單質的(111)表面，通過角分辨光電子譜測量他們發現沿著不同的方向上都有能隙閉合點，即證明了節線半金屬的存在。該結果把節線半金屬從三維推廣到了二維。此外，他們還建議可以通過施加不同襯底破壞對稱性，實現從二維節線半金屬到二維狄拉克半金屬轉變。這些結果也為將來為實現納米尺度的新型拓撲量子器件提供了一種新材料上可能。
該工作得到國家自然科學基金委和科技部的資助，相關研究結果發表于NATURE COMMUNICATIONS 8: 1007（2017）。
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