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浙大袁輝球團隊在重費米子體系中發現外爾費米子實驗證據

編輯:phyzt 時間:2018年11月06日 訪問次數:2870

      2018年11月5日,《Nature Communications》在線報道了浙江大學關聯物質研究中心袁輝球/劉洋/Michael Smidman團隊與杭州師范大學物理系曹超教授合作的最新研究成果:在重費米子半金屬YbPtBi中發現外爾費米子的實驗證據。

      凝聚態物質中的拓撲序和拓撲相變是物理學中的一個重要發現,它突破了基于對稱性破缺的經典朗道理論,解釋了包括渦旋激發、量子霍爾效應等在內的許多新現象。近年來,人們在凝聚態材料中發現了一系列受對稱性保護的拓撲量子物態,例如拓撲絕緣體、狄拉克半金屬、外爾半金屬等。這些拓撲材料表現出獨特的電子性質,在自旋電子器件以及量子計算等方面具有獨特的應用前景。尋找新型拓撲材料、揭示新的拓撲物性仍是當今前沿熱點研究問題。

      外爾半金屬是一類重要的拓撲半金屬材料,由于其準粒子低能激發與外爾費米子具有類似的性質而得名。1929年,赫爾曼×外爾(Hermann Weyl)通過對狄拉克方程做了零質量簡化,得到了所謂的外爾方程,其描述的就是質量為零且具有自旋手性的外爾費米子。尋找外爾費米子一直是高能物理領域中的一個重要課題,然而迄今尚未在實驗上找到相應的粒子。近年來,人們在一些凝聚態物質的電子結構中發現成對出現的外爾節點,這些外爾點在表面上的投影由費米弧連接,即一段不閉合的費米面。外爾半金屬表現出許多新奇電學特性,例如線性巨磁阻,手性異常效應和反常霍爾效應等。

      迄今為止,絕大部分實驗中確認的外爾半金屬均屬于弱關聯電子體系。在這些材料中,由于電子間關聯效應較弱,第一性原理計算往往能比較準確地預言其能帶拓撲結構,并且很快被角分辨光電子能譜等實驗證實。那么,強關聯電子體系中是否也存在外爾費米子?電子關聯效應與拓撲序相結合后會產生什么新的現象?怎樣來探測強關聯電子體系中的拓撲性質?

      重費米子是一類典型的強關聯電子體系,通常存在于含有f-電子的鑭系或者錒系金屬間化合物中。在重費米子體系中,隨著溫度的降低,局域的f-電子通過近藤效應與導帶電子集體雜化而產生巡游重電子,其有效質量高達自由電子質量的上千倍,"重費米子"因此而得名。在這類材料中,局域電子與巡游電子間的近藤相互作用還會打開一個小的雜化能隙。當費米能級位于雜化能隙之內時,材料呈現出絕緣體或者半導體行為,這類材料又稱近藤絕緣體或者半導體。而在更多的情況下,費米能級穿過導帶,材料表現出金屬行為。因此,重費米子體系可以呈現出非常豐富的量子特性。1979年,德國科學家Frank Steglich教授(現為浙大關聯物質研究中心主任)首次在重費米子金屬CeCu2Si2中發現超導,這也是第一個非常規超導體。到目前為止,人們已經在40多個重費米子材料中觀察到超導現象。重費米子超導表現出許多與高溫超導相似的性質,對研究高溫超導機理具有重要借鑒意義。另一方面,由于重費米子體系的能量尺度較低,其基態連續可調,是研究量子相變的理想體系。

圖1:重費米子的形成

隨著溫度減低,局域電子與巡游電子通過近藤效應雜化而形成復合重費米子。

在高溫,局域電子與巡游電子的雜化比較弱。隨著溫度下降(TK),局域電子與巡游電子通過近藤相互作用而形成復合重費米子。

      近年來,人們一直致力于在重費米子材料中尋找拓撲量子態。然而,由于電子間的多體相互作用以及較低的近藤溫度,通常的能帶計算和角分辨光電子能譜不再是探索強關聯拓撲態的強有力手段。相應地,重費米子體系中的拓撲態研究要比弱關聯電子體系復雜得多。最近,人們在SmB6等近藤絕緣體/半導體中發現了拓撲表面態的一些實驗證據,在國際上引起了廣泛興趣。然而,重費米子體系中是否存在外爾費米子或者其他拓撲半金屬行為還缺乏證據。

      從字面意思來看,重費米子和外爾費米子的概念似乎是矛盾的。外爾費米子在理論上來說是沒有質量的,而重費米子的有效質量卻很重。一個沒有質量的粒子又怎么會“重”呢?實際上,外爾費米子的“零質量”是指一種獨特的能量色散關系:在外爾節點附近,外爾費米子的能量與它的波矢成正比關系,其比例系數是個常數。若外爾節點位于費米能級附近,該常數即為費米速度。在重費米子材料中,雖然電子有效質量大,費米速度小,但重費米子能帶同樣可以遵循線性色散關系。

      理論上,尋找近藤外爾半金屬有兩種可能的途徑。第一種方法是在一個存在外爾節點的半金屬中,通過適當的方法引入近藤效應而使能帶重整化,從而得到近藤外爾半金屬相。另一種可能的方法是在近藤半金屬/半導體材料中,通過調控材料的自旋-軌道耦合強度等參數,實現能帶拓撲轉變,從而得到近藤外爾半金屬相。

圖2:高溫局域 f 電子態存在外爾節點的證據。

(a) 角分辨光電子能譜實驗與能帶計算表明該能帶結構中存在三重簡并點。在外加磁場下,該三重簡并點將進一步劈裂成一對外爾節點。

(b)轉角磁輸運測量表明存在手性異常效應。

      YbPtBi是一個典型的重費米子半金屬材料。通過多種宏微觀物性測量并結合能帶計算,袁輝球教授領導的研究團隊首次在該材料體系中發現了外爾費米子的實驗證據,觀察到外爾電子態隨電子相互作用變化所呈現出來的一些新穎性質。在高溫區間,4f電子是局域的,與周圍的巡游電子雜化比較弱,類似于弱關聯電子材料。角分辨光電子能譜測量與能帶計算的結果表明,該材料的能帶結構中存在三重簡并點,并且位于費米面附近。在外加磁場下,這些三重簡并點將進一步劈裂,從而形成外爾節點。通過轉角磁阻測量,他們進一步證實了外爾節點的存在,觀測到了明顯的手性異常效應。隨著溫度的下降,局域的f電子與巡游電子雜化增強,形成有效質量很重的復合費米子,導致其費米速度迅速下降。與之相應,手性異常效應對徑向磁阻的貢獻迅速減少,在20K以下可以忽略。由于近藤溫度較低,目前的角分辨光電子能譜的能量分辨率還不足以揭示重費米子態中的能帶拓撲結構。另一方面,重費米子體系的電子比熱系數很大,有利于精密測量比熱隨溫度的變化。袁輝球教授等通過低溫比熱的測量,發現電子比熱系數正比于溫度的二次方,與理論預言的具有線性色散關系的外爾節點相吻合。此外,他們還在30K以下觀察到了明顯的拓撲霍爾效應,進一步表明非平庸拓撲態的存在。

圖3:低溫重費米子態存在外爾節點的實驗證據。

(a)比熱的溫度三次方依賴關系。(b) 拓撲霍爾效應。

      這些發現為研究拓撲態與電子關聯效應和拓撲量子相變提供了一個新的平臺。論文審稿人指出,“該工作將成為研究具有近藤相互作用的外爾費米子半金屬的一個范例”。這一結果也引起了國際同行的廣泛關注,已應邀在美國APS March Meeting、國際磁學會議(ICM)等多個重要國際會議上做邀請報告。

      這一研究成果由浙江大學、杭州師范大學、美國勞倫斯-伯克利國家實驗室等單位合作完成,也是關聯物質研究中心各團隊成員在材料制備、極端條件物性測量、譜學測量和能帶計算等方面的一次完美合作。浙江大學物理系博士研究生郭春煜為論文第一作者,袁輝球教授為論文通訊作者,劉洋研究員負責角分辨光電子能譜測量;杭州師范大學物理系的曹超教授為該項目提供了能帶計算;部分角分辨光電子能譜在美國勞倫斯-伯克利國家實驗室完成。該項研究得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金委和科學挑戰專項的資助。


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