北理工在二維狄拉克“節(jié)線”半金屬研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2018-01-17 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：蘇文勇 閱讀次數(shù)：日前，北京理工大學(xué)姚裕貴教授課題組（博士研究生付波濤、姚裕貴教授），同日本東京大學(xué)的馮寶杰博士、Matsuda教授以及中科院物理所陳嵐、吳克輝等人合作的研究工作取得重要突破，在實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到二維狄拉克“節(jié)線”半金屬。
“拓?fù)浒虢饘佟笔且环N不同于“拓?fù)浣^緣體”的新型拓?fù)潆娮討B(tài)，其具有特殊拓?fù)涞谋砻鎽B(tài)（費(fèi)米弧、鼓膜表面態(tài)）、奇異的磁輸運(yùn)性質(zhì)（如負(fù)磁阻、巨磁電阻）以及極高的載流子遷移率等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)費(fèi)米面附近的能帶交叉點(diǎn)維度不同，拓?fù)浒虢饘倏梢苑譃橥負(fù)涔?jié)點(diǎn)半金屬（零維），拓?fù)涔?jié)線(Nodal Line)半金屬（一維），拓?fù)涔?jié)面半金屬（二維）。其中對(duì)于拓?fù)涔?jié)線半金屬，其交叉點(diǎn)在布里淵區(qū)中形成連續(xù)閉合的一維曲線。拓?fù)涔?jié)線半金屬最早在三維體系中提出，由于其具有獨(dú)特鼓膜狀的表面態(tài)，使得它可能在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。三維體系中拓?fù)涔?jié)線半金屬最近也陸續(xù)被一些實(shí)驗(yàn)證實(shí)，比如PtSn4，ZrSiS，TITaSe2等。在二維材料中也有理論預(yù)言可以存在對(duì)稱性保護(hù)的二維節(jié)線半金屬，然而一直缺乏實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
圖1 單層CuSi2的晶體結(jié)構(gòu)圖和電子結(jié)構(gòu)圖
(a) 結(jié)構(gòu)俯視和測(cè)視圖，橘黃色表示Cu原子，藍(lán)色表示Si原子；(b) 第一性原理計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)圖，不考慮自旋軌道耦合效應(yīng)；(c) 費(fèi)米面分布圖 (d) 動(dòng)量空間中狄拉克節(jié)線分布圖
圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量生長(zhǎng)在Cu(111)襯底上的單層CuSi2
(a) 藍(lán)色表示CuSi2布里淵區(qū)，黑色表示Cu(111)表面布里淵區(qū)；(b)(c)ARPES測(cè)量費(fèi)米面處和費(fèi)米以下0.5eV處等能面圖； (e)(f)(g) ARPES測(cè)量沿著高對(duì)稱路徑的能譜密度圖
在該工作中，他們通過(guò)理論上第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)上角分辨光電子譜測(cè)量證實(shí)了單層的Cu2Si體系是一種二維節(jié)線半金屬。發(fā)現(xiàn)在費(fèi)米能級(jí)附近，體系的一條導(dǎo)帶和兩條價(jià)帶相交，在布里淵區(qū)中間區(qū)域形成兩套封閉的節(jié)線。兩套節(jié)線分別呈現(xiàn)六邊形和六角梅花形。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)稱性分析揭示了發(fā)現(xiàn)這種節(jié)線半金屬受到垂直方向的鏡面對(duì)稱性保護(hù)。如果破壞體系對(duì)稱性，原本無(wú)能隙的節(jié)線會(huì)打開能隙。但是在一些高對(duì)稱方向依然有能隙閉點(diǎn)，形成類似于石墨烯體系中的狄拉克點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)上Cu2Si生長(zhǎng)在Cu單質(zhì)的(111)表面，通過(guò)角分辨光電子譜測(cè)量他們發(fā)現(xiàn)沿著不同的方向上都有能隙閉合點(diǎn)，即證明了節(jié)線半金屬的存在。該結(jié)果把節(jié)線半金屬?gòu)娜S推廣到了二維。此外，他們還建議可以通過(guò)施加不同襯底破壞對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)從二維節(jié)線半金屬到二維狄拉克半金屬轉(zhuǎn)變。這些結(jié)果也為將來(lái)為實(shí)現(xiàn)納米尺度的新型拓?fù)淞孔悠骷峁┝艘环N新材料上可能。
該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部的資助，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于NATURE COMMUNICATIONS 8: 1007（2017）。
分享到：