北理工物理學(xué)院在第二類外爾半金屬領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2016-08-31 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：姜艷 閱讀次數(shù)： 最近,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子功能材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室姚裕貴教授研究組（余智明博士后、姚裕貴教授）和新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的楊聲遠(yuǎn)教授合作研究了第二類外爾半金屬在磁場下的新奇物性,。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett.117, 077202 (2016)],。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委和科技部的資助。
在實(shí)驗(yàn)室中模擬和研究基本粒子（如狄拉克費(fèi)米子,、外爾費(fèi)米子）的行為是當(dāng)前凝聚態(tài)物理中最為令人振奮的研究領(lǐng)域之一,。更為吸引人的是，由于電子在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中和基本粒子在高能物理領(lǐng)域中所遵循的物理規(guī)范可有所不同,，所以凝聚態(tài)物理中還能呈現(xiàn)出高能物理中所不存在的有效費(fèi)米子,，如最近提出的第二類外爾(狄拉克)費(fèi)米子等諸多新型費(fèi)米子。一般而言,，動(dòng)量空間中外爾費(fèi)米子的色散是可以沿某一動(dòng)量方向傾斜的,。當(dāng)傾斜足夠強(qiáng)的時(shí)候，外爾錐將會(huì)翻倒而使得體系的費(fèi)米面從一個(gè)點(diǎn)變?yōu)橐粭l線或一個(gè)面,。此種情況下的外爾費(fèi)米子被稱為第二類外爾費(fèi)米子,，以區(qū)分于傳統(tǒng)的第一類外爾費(fèi)米子。盡管外爾費(fèi)米子的手性并不受能帶傾斜的影響,，但在凝聚態(tài)物理中諸多物理行為都與體系費(fèi)米面的幾何形貌息息相關(guān),，所以第二類外爾費(fèi)米子具有迥異于傳統(tǒng)外爾費(fèi)米子和其它材料的新奇物性。
磁場下,，電子的運(yùn)動(dòng)將會(huì)量子化而形成朗道能級(jí),，如體系是三維的，則朗道能級(jí)在沿著磁場方向是有色散的,。研究發(fā)現(xiàn),，在第二類外爾半金屬中，能量傾斜會(huì)使得體系的朗道能級(jí)間距變小,，特別是當(dāng)磁場指向偏移能量傾斜方向?yàn)槟硞€(gè)臨界角度時(shí),，朗道能級(jí)的間距為零，也即導(dǎo)致所謂的朗道能級(jí)坍塌現(xiàn)象(collapse of Landau levels),?；诎虢?jīng)典的物理圖像，他們還指出了此坍塌現(xiàn)象對(duì)應(yīng)于電子在磁場中的回旋運(yùn)動(dòng)軌道由閉合變?yōu)殚_放,，表明此時(shí)有效外爾模型已不足以描述電子的行為,。在朗道能級(jí)坍塌之前，第二類外爾點(diǎn)的朗道能級(jí)的磁光電導(dǎo)亦表現(xiàn)出與傳統(tǒng)外爾材料的迥異行為：如具有各向異性的磁光電導(dǎo),，低頻下一直存在帶間躍遷,，且隨頻率增加，光學(xué)吸收譜具有獨(dú)特的形狀等,。這些發(fā)現(xiàn)皆有助于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第二類外爾費(fèi)米子材料和確定體系參數(shù),。
圖1：(a)朗道能級(jí)壓縮因子隨能量傾斜與磁場夾角的變化行為,。(上)：傳統(tǒng)外爾點(diǎn)，(下)：第二類外爾點(diǎn),，其中紅線表示出現(xiàn)朗道能級(jí)坍塌的臨界角,。(b)磁場下電子的半經(jīng)典軌道隨磁場方向變化的演化行為。軌道由封閉變?yōu)殚_放對(duì)應(yīng)于體系從具有良好定義的朗道能級(jí)到朗道能級(jí)的坍塌（外爾模型下的描述）,。
圖2：（a）第二類外爾點(diǎn)和（c）傳統(tǒng)外爾點(diǎn)在能量傾斜方向與磁場平行的情況下的朗道能級(jí),。（b）和（d）與（a）和（c）類似，但此時(shí)能量傾斜方向與磁場反平行,。（e）外爾點(diǎn)的縱向磁光電導(dǎo),，其中紅線對(duì)應(yīng)于（a）中的第二類外爾點(diǎn)，藍(lán)線對(duì)應(yīng)于（c）中的傳統(tǒng)外爾點(diǎn),。（f）與（e）類似,，但分別對(duì)應(yīng)的是（b）和（d）中外爾點(diǎn)的行為。
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