清華物理系研究人員首次在實驗上實現(xiàn)第二類外爾費米子
清華新聞網(wǎng)9月8日電 9月5日，清華大學物理系周樹云、陳曦和富士康納米科技中心吳揚，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撲費米弧的實驗證實”（“Experimental observation of topological Fermi arcs in type-II Weyl semimetal MoTe2”）的論文，首次報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撲費米弧實驗證據(jù)。
近年來，伴隨著凝聚態(tài)能帶拓撲理論的發(fā)展，大量的新奇粒子在新型量子材料中得以實現(xiàn)，其中典型的例子是“外爾費米子”（Weyl fermion）。外爾費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）的拓撲材料中，其低能準粒子激發(fā)與外爾費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米子。為了與保持洛倫茲不變性的第一類外爾費米子區(qū)別，這類新型的外爾費米子被稱為“第二類外爾費米子”，相應(yīng)的拓撲材料稱為“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，沿某一方向嚴重傾斜的狄拉克錐（破壞洛倫茲不變性），受拓撲保護的非閉合費米弧表面態(tài)，以及理論預(yù)言的各向異性磁輸運性質(zhì)等。因此自從被理論預(yù)言后，第二類外爾費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。
最有望實現(xiàn)第二類外爾費米子的材料體系是Td相的二碲化鉬（MoTe2）。高質(zhì)量的單晶樣品是實驗成功的基礎(chǔ)，實驗測量所需的大面積、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)兩種互補的表面敏感實驗技術(shù)，結(jié)合第一性原理計算結(jié)果，驗證了二碲化鉬作為第二類外爾半金屬的基本特征 － 嚴重傾斜的狄拉克錐和來自于拓撲表面態(tài)的非閉合費米弧。由于二碲化鉬中的外爾點存在于材料的費米能以上，且外爾點附近存在大量體能帶造成的態(tài)密度包裹，精細的費米弧表面態(tài)分布在空穴和電子能帶之間的微小能隙里，使得傳統(tǒng)觀測第一類外爾點和費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（對體材料性質(zhì)敏感）和同步輻射的低能高通量光源（對表面態(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，并鎖定了拓撲表面態(tài)的位置和色散，成功觀測到平庸表面態(tài)和空穴體能帶間微小能隙中的非閉合費米弧。進一步結(jié)合陳曦研究組的掃描隧道譜測量以及張海軍的第一性原理計算，確認了該非閉合弧線正是拓撲費米弧。該工作首次直接從實驗上完整地證實了Td相的二碲化鉬是第二類外爾半金屬，不僅為凝聚態(tài)中實現(xiàn)標準模型奇異粒子建立了新的范本，也為層狀材料實現(xiàn)拓撲電子學器件開辟了新的體系。
圖2: 結(jié)合角分辨光電子能譜、掃描隧道顯微譜實驗測量結(jié)果和第一性原理計算得到的拓撲表面態(tài)。
清華大學物理系的博士生鄧可、萬國良和鄧鵬同學為論文共同第一作者，清華大學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博士為該文的共同通訊作者，南京大學的張海軍教授提供了理論計算，清華大學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研究提供了理論支持。該課題是在國家自然科學基金委、國家科技部、清華大學自主研發(fā)項目和清華-富士康納米科技研究中心經(jīng)費支持下完成。
論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/nphys3871.
供稿：物理系 編輯：李華山
