我校固体微结构物理国家重点实验室、物理学院、现代工程与应用科学学院材料科学与工程系、南京微结构科学与技术协同创新中心陈延彬、姚淑华和周健研究组在第二类外尔半金属手性反常的研究方面取得重要进展。该结果以《Experimental
Observation of Anisotropic Adler-Bell-Jackiw Anomaly in Type-II Weyl
Semimetal WTe1.98Crystals at the Quasiclassical
Regime》为题,于2017年3月3日发表在《Physical Review Letters》[118,
096603 ]。

拓扑半金属是一种新的量子材料,是当前凝聚态物理重要的研究领域之一。在三维动量空间中,拓扑半金属具有特殊的能带交叉点,表现出线性色散关系,可以用具有手性的相对论Weyl(Dirac)方程描写。狄拉克半金属在时间反演对称性破缺的情况下会表现出Weyl半金属的性质。手性反常是Weyl半金属的一个重要性质,在输运中表现为当外加磁场平行于电场时,可观测到负磁阻现象,而且该效应对磁场和电场之间的角度非常敏感。

外尔半金属是一种新颖的量子态,其电子的色散关系存在着成对的手性相反的外尔点,这对外尔点可以看成是倒空间中一对正负磁荷(magnetic
monopole)。这对磁荷在磁场的作用下发生类似于Zeeman效应的能级劈裂,从而导致不同手性的电子密度的不同。因此,当外加电场与磁场平行时,倒空间中不同手性间的散射由于正负手性Weyl点间的距离增加而导致相应的谷间散射(intervalley
scattering)减弱,从而产生了负磁阻效应,既所谓手性反常。图一是在磁场作用下一对手性相反的狄拉克锥在倒空间被拉开的示意图。该效应最早由Adler,
Bell和Jackiw在粒子物理中提出。最近,该效应在凝聚态物理中的外尔半金属也被观察到。

最近,由北京大学物理学院俞大鹏教授领导的“纳米结构与低维物理”研究团队在狄拉克半金属Cd3As2纳米材料制备和低温输运性质方面取得新进展。该团队的青年教师廖志敏副教授等通过化学气相沉积法成功合成了Cd3As2纳米结构,在低温输运测量中观测到负磁阻,而且室温下负磁阻也能够保持,分析表明该负磁阻是由手性反常导致的。需要说明的是要观察到手性反常导致的负磁阻,要求材料的载流子浓度较低,而且外加磁场方向平行于给样品施加的电场方向;实验中通过改变载流子浓度和改变磁场方向可以有效地调制负磁阻幅值的大小,并观测到负磁阻向正磁阻的转变,证实了Cd3As2中负磁阻由手性反常所致。实验表明,在不同直径的纳米线和纳米片中均观察到了负磁阻现象,说明该负磁阻是狄拉克半金属中载流子贡献所致。在低磁场下观测到的反弱局域化现象表明该材料当中较强的自旋轨道耦合作用。另外,由于材料的载流子浓度很低,费米面靠近狄拉克点,有利于研究狄拉克点附近的物理性质。他们通过门压调制,测量到强磁场下由于朗道能级劈裂导致的电导振荡。该研究结果对狄拉克半金属Cd3As2物理性质的研究具有重要的意义。

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该研究成果近期发表于Nature Communications 6,
10137(2015),博士研究生李彩珍和王礼先为并列第一作者,廖志敏副教授为通讯作者。该研究成果得到了量子物质科学2011协同创新中心、介观物理国家重点实验室、北京大学电子显微镜实验室等的大力支持。

图一、在磁场作用下一对手性相反的狄拉克锥在倒空间被拉开的示意图。

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www.602.net,第二类外尔半金属是外尔半金属概念的推广,其特征是在外尔点附近的狄拉克锥是倾斜的,因此相应的电子色散关系在外尔点附近不满足洛伦茨变换对称性。理论上预言第二类外尔半金属有二个实验特征:外尔点附近倾斜的电子色散关系;
各向异性的负磁阻,即在ab-面仅有一个方向上存在由于ABJ-效应导致的负磁阻。WTe2是第一个理论预言的第二类外尔半金属材料。

三维狄拉克半金属Cd3As2在1.5K到300K的磁阻;从低温到室温均能观察到负磁阻

由于WTe2的外尔点高于费米能级60
meV,因此需要通过一定方法提高费米能才能在输运实验中观测到ABJ效应。研究组精确控制晶体生长和退火工艺,研制成功WTe1.98晶体并发现了各向异性ABJ-效应:在a-和b-方向均发现了ABJ-效应。图二是WTe1.98晶体沿着a-和b-方向的磁阻随温度、磁场与电场间的夹角间的实验关系。详细的数据拟合证明沿着b-方向的ABJ-效应系数比沿着a-方向的大70%。这个实验结果看似与理论预言的二类外尔半金属特征不吻合,但输运理论分析表明该预言仅适用于理想量子条件,而在经典近似条件下,第二类外尔半金属的ABJ效应仍然是各向同性的。我们的实验结果则正好位于极端量子情况和经典近似情况之间,即处于准经典区域,因此作为一个自然的过渡,我们在a-和b-方向都观察到了ABJ效应,但是b-方向的ABJ效应较强。

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图二、ABJ效应导致的负磁阻强烈地依赖于温度以及磁场和电场间的夹角。

实验还发现:温度大于30K时ABJ效应就消失了。其可能的原因是温度导致的拓扑转变。为了证明这个推测,又测量了从20
K到300 K的WTe2晶体的晶格常数变化。利用第一性原理计算证明:外尔点仅在60
K以下才出现,而在60
K以上外尔点处出现了一个非常小的能隙。这充分说明WTe2第二类外尔半金属态对晶格常数/温度异常敏感。

这个工作证明:第二类外尔半金属在准经典条件下会出现各向异性的ABJ效应;对于WTe2材料,其二类外尔半金属态对于温度/晶格常数非常敏感。这些结果展示了第二类外尔半金属材料丰富的物理特性,深化了对第二类外尔半金属材料这一类新的拓扑材料物理的认识。

我校物理学院陈延彬副教授、现代工程与应用科学学院姚淑华和周健副教授为共同通讯作者。物理学院盛利教授、邓伟胤博士生提供了输运理论支持。合肥强磁场中心的田明亮教授、张蕾老师在低温结构测试中提供了实验帮助。工学院级博士生吕洋洋、张滨滨和物理学院硕士生李啸为共同第一作者。本工作得到了国家重点基础研究发展计划和国家自然科学基金委项目等基金的支持。

论文连接:

(固体微结构物理国家重点实验室 科学技术处)

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