北理工在新準(zhǔn)粒子預(yù)言方面取得重要進(jìn)展

發(fā)布日期：2021-02-25 供稿：物理學(xué)院

編輯：王莉蓉審核：姚裕貴閱讀次數(shù)：

最近，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊和中科院強(qiáng)磁場科學(xué)中心的周建輝研究員以及清華大學(xué)的周樹云教授等合作預(yù)言并在高溫相的電荷密度波材料Ta₂Se₈I中發(fā)現(xiàn)第三類外爾費(fèi)米子型準(zhǔn)粒子。相關(guān)成果于近日以Type-III Weyl semimetals:(TaSe₄)₂I為題在Physical Review B上作為Letter形式發(fā)表。該工作受到了編輯的高度評價，被選為Editors’ Suggestion。

圖1：三類外爾點的示意圖: (a) 第一類外爾半金屬的點類型費(fèi)米面。（b）第二類外爾半金屬的電子-空穴口袋型費(fèi)米面。（c）第三類外爾半金屬的電子（空穴）-電子（空穴）口袋類型費(fèi)米面；(d) Ta₂Se₈I的晶體結(jié)構(gòu) (e) 001面上四重螺旋表面態(tài)。

1929年德國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家赫爾曼·外爾預(yù)言了無質(zhì)量的外爾費(fèi)米子。經(jīng)過近一個世紀(jì)的探索，人們?nèi)晕丛谡婵罩写_定“外爾費(fèi)米子”這一基本粒子，因此稱之為 “幽靈粒子”。近來隨著拓?fù)湮镔|(zhì)態(tài)和材料物理的迅猛發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了實現(xiàn)“外爾費(fèi)米子”的新途徑——固體材料中的低能準(zhǔn)粒子激發(fā)。在固體中，這些準(zhǔn)粒子與相應(yīng)的基本粒子遵循相同的運(yùn)動規(guī)律，比如外爾方程。研究人員先后在多種固體材料中發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子型準(zhǔn)粒子，展現(xiàn)出諸多新奇的物理特性以及在自旋電子學(xué)和量子計算中潛在的應(yīng)用前景。不同于高能物理領(lǐng)域，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)在固體材料中，外爾錐能夠傾斜并導(dǎo)致完全不同幾何結(jié)構(gòu)的費(fèi)米面。比如，線性傾斜項使得點類型的費(fèi)米面（第一類外爾點，圖1(a) 所示）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電子口袋和一個空穴口袋接觸的費(fèi)米面（第二類外爾點，圖1(b) 所示）。費(fèi)米面是凝聚態(tài)物理中一個基本而深刻的概念，體系的超導(dǎo)、密度波、磁性、電輸運(yùn)等特性都與費(fèi)米面密切相關(guān)。因此，尋找具有新穎的拓?fù)浜蛶缀翁匦缘馁M(fèi)米面的材料成為拓?fù)湮镔|(zhì)態(tài)的研究中一個極其重要的前沿課題。

姚裕貴等人在高溫相的電荷密度波材料Ta₂Se₈I中發(fā)現(xiàn)的第三類外爾費(fèi)米子型準(zhǔn)粒子，是一種全新的固體準(zhǔn)粒子，其具有“三高”特性：高溫相、高陳數(shù)、高階傾斜項。在該工作中，作者發(fā)現(xiàn)晶體對稱性可以在外爾準(zhǔn)粒子運(yùn)動方程中誘導(dǎo)出二階甚至更高階的傾斜項。不同于線性傾斜項，二階傾斜項在多重外爾半金屬（陳數(shù)為2或3）導(dǎo)致全新的第三類外爾費(fèi)米子。它具有獨特的費(fèi)米面：電子-電子或空穴-空穴口袋的費(fèi)米面在同一個高陳數(shù)的外爾點處相接觸（如圖1(c) 所示）。值得指出的是，這種二階傾斜項在線性的外爾方程中不占主導(dǎo)，只有在高陳數(shù)的外爾半金屬中才能起主導(dǎo)作用。此外，由于高陳數(shù)的外爾半金屬尚缺乏實驗證據(jù)，這也使得人們過去一直沒有發(fā)現(xiàn)它。

我們可以從一個簡單的能帶圖像去理解第三類外爾點中新穎費(fèi)米面的形成。線性傾斜項可以使得正波矢k的能量增加，而負(fù)波矢k的能量減少，從而形成電子-空穴口袋類型的費(fèi)米面（如圖1(b) 所示）。然而，二階傾斜項使得正負(fù)波矢k的能量同時增加或減小（取決于二階傾斜項系數(shù)的正負(fù)），導(dǎo)致電子-電子或空穴-空穴口袋類型費(fèi)米面（如圖1(c) 所示）。作者基于外爾點的廣義傾斜項提出統(tǒng)一地分類第一、二、三類外爾半金屬的直觀且清晰的物理機(jī)制。

角分辨光電子能譜實驗表明高溫相的Ta₂Se₈I（圖1(d)）具有第三類外爾費(fèi)米子的特征能量色散。另外，作者發(fā)現(xiàn)二階傾斜項導(dǎo)致第三類外爾半金屬的朗道能級的上翻現(xiàn)象以及手性朗道能級的劈裂，這些都可作為實驗中診斷第三類外爾半金屬的指針性證據(jù)。事實上，低溫相的Ta₂Se₈I作為經(jīng)典的電荷密度波材料已經(jīng)被寫入固體物理教科書，但是人們對于其高溫相的拓?fù)湫再|(zhì)和派爾斯相變機(jī)制的認(rèn)識還不夠清楚。這個工作首次揭示了高溫相的Ta₂Se₈I中外爾半金屬的本質(zhì)，將為探討相關(guān)的新奇物性提供理論指引（如圖1(e) 所示）。該工作預(yù)言的第三類外爾費(fèi)米子也被別的課題組在鐵磁材料X₂RhF₆（X="K," Rb, Cs）中發(fā)現(xiàn)（Phys. Rev. B 102, 195104 (2020)）。

該工作得到國家重點研發(fā)計劃項目(Grant No.2016YFA0300600)，國家自然科學(xué)基金項目(Grant No.11734003)以及中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計劃項目(Grant No.XDB30000000)的資助。

文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.103.L081402

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