清華物理系研究人員首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)第二類外爾費(fèi)米子
清華新聞網(wǎng)9月8日電 9月5日，清華大學(xué)物理系周樹云、陳曦和富士康納米科技中心吳揚(yáng)，在《自然物理》(“Nature Physics”)在線發(fā)表題為“第二類外爾半金屬二碲化鉬中拓?fù)滟M(fèi)米弧的實(shí)驗(yàn)證實(shí)”（“Experimental observation of topological Fermi arcs in type-II Weyl semimetal MoTe2”）的論文，首次報(bào)道了破壞洛倫茲不變性的第二類外爾半金屬二碲化鉬的拓?fù)滟M(fèi)米弧實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
近年來，伴隨著凝聚態(tài)能帶拓?fù)淅碚摰陌l(fā)展，大量的新奇粒子在新型量子材料中得以實(shí)現(xiàn)，其中典型的例子是“外爾費(fèi)米子”（Weyl fermion）。外爾費(fèi)米子的概念最早在高能物理中提出。近年來研究人員發(fā)現(xiàn)在被稱為“外爾半金屬”（Weyl semimetal）的拓?fù)洳牧现校涞湍軠?zhǔn)粒子激發(fā)與外爾費(fèi)米子滿足相同的物理規(guī)律。有趣的是，高能物理中必須滿足的洛倫茲不變性，在凝聚態(tài)物理中卻不需要遵守。因此，在固體材料中有可能存在不滿足洛倫茲不變性的外爾費(fèi)米子。為了與保持洛倫茲不變性的第一類外爾費(fèi)米子區(qū)別，這類新型的外爾費(fèi)米子被稱為“第二類外爾費(fèi)米子”，相應(yīng)的拓?fù)洳牧戏Q為“第二類外爾半金屬”。第二類外爾半金屬具有眾多新奇的量子現(xiàn)象，例如，沿某一方向嚴(yán)重傾斜的狄拉克錐（破壞洛倫茲不變性），受拓?fù)浔Ｗo(hù)的非閉合費(fèi)米弧表面態(tài)，以及理論預(yù)言的各向異性磁輸運(yùn)性質(zhì)等。因此自從被理論預(yù)言后，第二類外爾費(fèi)米子就引起了研究人員的廣泛關(guān)注。
圖1: 第一類和第二類外爾半金屬電子結(jié)構(gòu)示意圖。
最有望實(shí)現(xiàn)第二類外爾費(fèi)米子的材料體系是Td相的二碲化鉬（MoTe2）。高質(zhì)量的單晶樣品是實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量所需的大面積、高質(zhì)量的單晶樣品的制備在清華-富士康納米中心完成。研究者結(jié)合角分辨光電子能譜(ARPES)和掃描隧道譜(STS)兩種互補(bǔ)的表面敏感實(shí)驗(yàn)技術(shù)，結(jié)合第一性原理計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了二碲化鉬作為第二類外爾半金屬的基本特征 － 嚴(yán)重傾斜的狄拉克錐和來自于拓?fù)浔砻鎽B(tài)的非閉合費(fèi)米弧。由于二碲化鉬中的外爾點(diǎn)存在于材料的費(fèi)米能以上，且外爾點(diǎn)附近存在大量體能帶造成的態(tài)密度包裹，精細(xì)的費(fèi)米弧表面態(tài)分布在空穴和電子能帶之間的微小能隙里，使得傳統(tǒng)觀測(cè)第一類外爾點(diǎn)和費(fèi)米弧的手段不再奏效。周樹云研究組結(jié)合自主搭建的四倍頻的6.3 eV激光光源（對(duì)體材料性質(zhì)敏感）和同步輻射的低能高通量光源（對(duì)表面態(tài)電子敏感）的角分辨光電子能譜，區(qū)分出了體能帶和表面態(tài)的貢獻(xiàn)，并鎖定了拓?fù)浔砻鎽B(tài)的位置和色散，成功觀測(cè)到平庸表面態(tài)和空穴體能帶間微小能隙中的非閉合費(fèi)米弧。進(jìn)一步結(jié)合陳曦研究組的掃描隧道譜測(cè)量以及張海軍的第一性原理計(jì)算，確認(rèn)了該非閉合弧線正是拓?fù)滟M(fèi)米弧。該工作首次直接從實(shí)驗(yàn)上完整地證實(shí)了Td相的二碲化鉬是第二類外爾半金屬，不僅為凝聚態(tài)中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型奇異粒子建立了新的范本，也為層狀材料實(shí)現(xiàn)拓?fù)潆娮訉W(xué)器件開辟了新的體系。
圖2: 結(jié)合角分辨光電子能譜、掃描隧道顯微譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和第一性原理計(jì)算得到的拓?fù)浔砻鎽B(tài)。
清華大學(xué)物理系的博士生鄧可、萬國良和鄧鵬同學(xué)為論文共同第一作者，清華大學(xué)物理系的周樹云副教授、陳曦教授和清華-富士康納米科技中心的吳揚(yáng)博士為該文的共同通訊作者，南京大學(xué)的張海軍教授提供了理論計(jì)算，清華大學(xué)高等研究院的姚宏研究員和物理系段文暉研究組也為該項(xiàng)研究提供了理論支持。該課題是在國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、清華大學(xué)自主研發(fā)項(xiàng)目和清華-富士康納米科技研究中心經(jīng)費(fèi)支持下完成。
論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/nphys3871.
供稿：物理系 編輯：李華山
