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)計與應(yīng)用實驗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《物理評論快報》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。
在實驗室中模擬和研究基本粒子（如狄拉克費米子、外爾費米子）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米子，如最近提出的第二類外爾(狄拉克)費米子等諸多新型費米子。一般而言，動量空間中外爾費米子的色散是可以沿某一動量方向傾斜的。當(dāng)傾斜足夠強的時候，外爾錐將會翻倒而使得體系的費米面從一個點變?yōu)橐粭l線或一個面。此種情況下的外爾費米子被稱為第二類外爾費米子，以區(qū)分于傳統(tǒng)的第一類外爾費米子。盡管外爾費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米面的幾何形貌息息相關(guān)，所以第二類外爾費米子具有迥異于傳統(tǒng)外爾費米子和其它材料的新奇物性。
磁場下，電子的運動將會量子化而形成朗道能級，如體系是三維的，則朗道能級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，能量傾斜會使得體系的朗道能級間距變小，特別是當(dāng)磁場指向偏移能量傾斜方向為某個臨界角度時，朗道能級的間距為零，也即導(dǎo)致所謂的朗道能級坍塌現(xiàn)象(collapse of Landau levels)。基于半經(jīng)典的物理圖像，他們還指出了此坍塌現(xiàn)象對應(yīng)于電子在磁場中的回旋運動軌道由閉合變?yōu)殚_放，表明此時有效外爾模型已不足以描述電子的行為。在朗道能級坍塌之前，第二類外爾點的朗道能級的磁光電導(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)吸收譜具有獨特的形狀等。這些發(fā)現(xiàn)皆有助于指導(dǎo)實驗發(fā)現(xiàn)第二類外爾費米子材料和確定體系參數(shù)。
圖1：(a)朗道能級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，(下)：第二類外爾點，其中紅線表示出現(xiàn)朗道能級坍塌的臨界角。(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_放對應(yīng)于體系從具有良好定義的朗道能級到朗道能級的坍塌（外爾模型下的描述）。
圖2：（a）第二類外爾點和（c）傳統(tǒng)外爾點在能量傾斜方向與磁場平行的情況下的朗道能級。（b）和（d）與（a）和（c）類似，但此時能量傾斜方向與磁場反平行。（e）外爾點的縱向磁光電導(dǎo)，其中紅線對應(yīng)于（a）中的第二類外爾點，藍(lán)線對應(yīng)于（c）中的傳統(tǒng)外爾點。（f）與（e）類似，但分別對應(yīng)的是（b）和（d）中外爾點的行為。
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