北理工在二維外爾“節(jié)線”半金屬研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-09-18 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：蘇文勇 閱讀次數(shù)：
日前，北理工姚裕貴教授課題組（博士生張閏午、姚裕貴教授）同中科院物理所馮寶杰研究員,、中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所馮婭博士等合作者，在二維拓?fù)淞孔硬牧涎芯糠矫嫒〉弥匾M(jìn)展,，首次在鐵磁單原子層GdAg2材料中觀測(cè)到二維外爾“節(jié)線”半金屬,。
近年來(lái)，新興前沿領(lǐng)域如物質(zhì)的拓?fù)淞孔討B(tài)和二維量子材料在基礎(chǔ)科學(xué)研究和量子器件應(yīng)用方面得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展,。在物質(zhì)拓?fù)淞孔討B(tài)研究方面,，“拓?fù)浒虢饘佟弊鳛橐活愋滦屯負(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),；在二維量子材料研究方面,，少數(shù)層具有長(zhǎng)程鐵磁序的半導(dǎo)體材料（例如Cr2Ge2Te6、CrI3和VSe2）在自旋電子學(xué)領(lǐng)域得到深入研究,。然而,，二維層狀本征鐵磁半導(dǎo)體材料至今發(fā)現(xiàn)甚少，而基于單原子層鐵磁材料的拓?fù)湮镄匝芯扛菂T乏,。若在單原子層鐵磁材料中實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋺B(tài)（例如拓?fù)浒虢饘伲?，將有望解決制約當(dāng)前半導(dǎo)體集成電路中因器件小型化和密度過(guò)大而造成發(fā)熱的發(fā)展瓶頸問(wèn)題。
在拓?fù)浒虢饘傺芯糠矫?，北理工物理學(xué)院姚裕貴教授研究團(tuán)隊(duì)和合作者近年來(lái)相繼取得了一系列重要進(jìn)展,，為該工作的深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。例如,，預(yù)測(cè)了第二類外爾半金屬中的朗道能級(jí)坍塌現(xiàn)象【Phys. Rev. Lett., 117, 077202 (2016)】,；提出了弱拓?fù)浣^緣體與強(qiáng)拓?fù)浣^緣體轉(zhuǎn)變時(shí)存在復(fù)合外爾半金屬相的概念 [Phys. Rev. Lett., 116, 066801(2016)]、二維 Cu2Si體系是狄拉克“節(jié)線”半金屬并被實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)【Nat. Commun., 8, 1007 (2017)】,；第二類節(jié)線半金屬理論【Phys. Rev. B 96, 081106(R) (2017)】,、磁化方向調(diào)控節(jié)線和外爾相的理論【Phys. Rev. B, 98, 121103(R) (2018)】、鏡面對(duì)稱性保護(hù)下多重節(jié)線半金屬理論【Phys. Rev. B 98, 201104(R) (2018)】,、復(fù)合節(jié)-點(diǎn)線外爾半金屬概念【J. Phys. Chem. Lett. 10(10), 2508 (2019)】,、等等。此外他們進(jìn)一步探索了上述拓?fù)浒虢饘倮碚摶蚋拍畹牟牧蠈?shí)現(xiàn),，預(yù)測(cè)了理想的沙漏型節(jié)網(wǎng)半金屬-Ag2BiO3【Phys. Rev. B 98,075146 (2018)】,、節(jié)線半金屬- α-PbO2和β-PbO2【Phys. Rev. B 98, 035144 (2018)】、自旋極化節(jié)線半金屬- 二維堿金屬硫族化合物【J. Phys. Chem. Lett. 10(11), 3101 (2019)】等,。這些研究工作引起了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注,。
圖1 單原子層GdAg2的第一性原理計(jì)算結(jié)果
圖2 Ag(111)上單層GdAg2電子結(jié)構(gòu)的ARPES測(cè)量
在最近的工作中，姚裕貴研究組與物理所馮寶杰研究員等人合作，通過(guò)理論分析,、計(jì)算以及角分辨光電子譜觀測(cè)相結(jié)合的方法,，證實(shí)了單原子層鐵磁材料GdAg2 是一種二維外爾“節(jié)線”半金屬。如圖1所示,，單原子層鐵磁材料GdAg2中的外爾“節(jié)線”態(tài)具有自旋極化的特點(diǎn)和鏡面對(duì)稱性保護(hù),，具有很強(qiáng)的抗外部干擾能力?；诜肿觿?dòng)力學(xué)模擬表明,，單原子層GdAg2具有在其它基底上外延生長(zhǎng)的可能，甚至存在從基底上剝離的潛力,。此外，計(jì)算結(jié)果還表明,，如圖1所示,，通過(guò)控制磁化方向可以調(diào)控外爾“節(jié)線”態(tài)的開/關(guān)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)上（如圖2所示）,，當(dāng)單層GdAg2生長(zhǎng)在Ag單質(zhì)(111)表面時(shí),，外爾“節(jié)線”態(tài)處于費(fèi)米能級(jí)附近。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),，即證明了外爾“節(jié)線”半金屬的存在,。由于樣品GdAg2的厚度已達(dá)到了原子極限，上述結(jié)果將為實(shí)現(xiàn)高效低耗,、高集成度的微型化新型拓?fù)淞孔悠骷峁┛赡堋?該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委,、科技部等單位的支持。研究團(tuán)隊(duì)特別感謝四川師范大學(xué)付波濤博士,，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所何少龍研究員,，中科院物理所陳嵐研究員、吳克輝研究員,，廣島同步輻射中心Koji Miyamoto,、Kenya Shimada、Taichi Okuda, 日本廣島大學(xué)Shilong Wu等人的有力支持和配合,。
該工作發(fā)表于物理學(xué)最頂級(jí)的權(quán)威期刊《Physical Review Letters》（IF="9.227）：Baojie" Feng,?* Run-Wu Zhang,? Ya Feng,? Botao Fu, Shilong Wu, Koji Miyamoto, Shaolong He, Lan Chen, Kehui Wu, Kenya Shimada, Taichi Okuda, and Yugui Yao*; “Discovery of Weyl Nodal Lines in a Single-Layer Ferromagnet”, Physical Review Letters, 123, 116401 (2019). (?為共同一作,；*為通訊作者。)
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.116401
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