物理所等大量地理理論預言拓撲Weyl半金屬TaAs傢族

  物理所等大量地理理論預言拓撲Weyl半金屬TaAs傢族並得到證實

 

  1928年狄拉克提出描绘相對論電子態的狄拉克方程 。第二年,H. Weyl指出,當質量為零時,狄拉克方程描绘的是一對重疊在一同的具有相反手性的新粒子 ,這就是Weyl費米子。但是80多年過去瞭 ,人們不断沒有能夠在實驗中觀測到Weyl費米子。中微子曾經被認為是Weyl費米子 ,但是後來發現中微子其實是有質量的。近年來,拓撲絕緣體,特别是拓撲半金屬領域的飛速發展為Weyl費米子的產生和觀測提供瞭新的思绪和途徑:在凝聚態體系中,某些低能元激發跟Weyl費米子的行為分歧,有能够获得打破,初次實現Weyl電子態。最近幾年來,如何在凝聚態物質中實現Weyl電子態成為該領域一個很具挑戰性的科學問題,也是該領域國際競爭的焦點之一。

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  打破首先來自拓撲狄拉克半金屬的發現。在該電子態中,兩個手性相反的Weyl費米子在動量空間中重疊出現。物理研讨所方忠、戴希、翁紅明及协作者於2012年和2013年先後從理論上預言Na3Bi[1]和Cd3As229~31日,冷氣氛影響削弱,地區大部氣氛質量以良為主;湖南、湖北為良至輕度混濁,部分中度混濁[2]是狄拉克半金屬,其費米面由四度簡並的狄拉克點構成,是無質量的狄拉克費米子 。2014年互聯網商業參謀、億邦動力網首席知識官葉志榮以為,自從雙11成為一場全民事情之後,每年都能夠吸引大批眼球,他們跟實驗組协作,分別在Na3Bi[3]和Cd3As2[4]中觀測到瞭三維狄拉克錐,證實瞭理論預言,被稱為初次發現“三維石墨烯”。隨後,眾多的實驗和理論任务快速開展,已經构成瞭當前凝聚態領域的一個研讨熱點。

  把狄拉克半金屬中重疊的手性相反的Weyl費米子在動量空間中分開就能够實現真正的Weyl半金屬態 。這需求打破能帶的自旋簡並,通常能够通過破缺時間反演或中心反演對稱來實現 。2011年,物理所方忠、戴希、翁紅明等理論上預言HgCr2Se4的基態就是鐵磁Weyl半金屬態,但是由於磁性原料中復雜的磁疇結構,以及角分辨光電子能譜(ARPES)對磁場的屏蔽要求等,使得磁性Weyl半金屬的實驗觀測變得極其困難 。

  最近,翁紅明、方忠、戴希等一同,通過第一性原理計算,發現TaAs,TaP,NbAs和NbP同等結構傢族原料是自然存在的,非磁性非中心對稱的Weyl半金屬。圖1顯示TaAs傢族原料呈體心四方結構,其晶格動量空間存在12對手性相反的Weyl費米子。圖2顯示 Weyl點四周的貝裡曲率呈刺蝟狀分佈,與實空間中點電荷產生的電場分佈類似,标明它們是動量空間中的磁單極子[5]。在TaAs的(001)外貌上,會出現連接差别手性Weyl費米子投影的費米弧,能被ARPES實驗直接觀測到。

  由於TaAs等樣品的分解和測量實際可行,該任务2014年底在 arXiv網站公開後(arXiv:1501.00060,已發表於Phys. Rev. X5,011029 (2015)),遭到瞭熱切關註。許多研讨組快速開展瞭實驗驗證任务。在這幾個月內,就已經有近8個實驗任务證實瞭這個理論預言。中科院物理所的實驗小組在這場競賽中做出瞭許多重要的任务 。例如初次觀測到瞭TaAs的外貌費米弧[arxiv:1502.04684]、由“手性異常”導致的負磁阻現象[arxiv:1503.01304]、Weyl點及其四周的三維狄拉克錐等[arxiv:1503.09188]。這是自1929年Weyl費米子被提出以來,初次在凝聚態物質中實現Weyl電子態並觀測到其特有的物理特性,具有十分重要的物理意義 。Weyl半金屬的發現不僅提出瞭很多新的科學問題,同時也帶來瞭未來改造性技術打破的希望。在Weyl半金屬中,由於遭到拓撲保護,兩個具有相反手性的Weyl電子態之間的散射很弱,能够用於實現極低能耗的電子輸運。特別是該電子態能够在室溫下穩定存在,對室溫低能耗電子學器件的應器具有重要價值 。

  本任务失掉瞭國傢自然科學基金委(No. 11274359,No. 11422428)、科技部“973”項目(No. 2011CBA00108,No. 2013CB921700)和先導B項目(No. XDB07020100)的撑腰 。

  [1] Z. Wang, Y. Sun, X. Q. Chen, C. Franchini, G. Xu, H. Weng, X. Dai and Z. Fang, Phys. Rev. B 85, 195320 (2012).

  [2] Z. Wang, H. Weng, Q. Wu, X. Dai and Z. Fang, Phys. Rev. B 88, 125427 (2013).

  [3] Z. Liu et al. Science 343, 864 (2014).

  [4] Z. Liu et al. Nat. Mater. 13, 677 (2014).

  [5] Z. Fang et al. Science 302, 92 (2003).

  

  

圖1. TaAs晶體結構和Weyl費米子在動量空間的分佈

  

  

圖2. Weyl點四周貝裡曲率分佈和(001)外貌上連接相反磁荷投影點的費米弧

  

 

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