北理工在拓撲節(jié)線準半金屬研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2020-01-17 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：吳楠 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
日前，北京理工大學(xué)姚裕貴教授、劉鋮鋮教授以及博士研究生張閏午、張澤英，在新型準半金屬拓撲量子態(tài)研究方面取得重要進展，提出了一種新的拓撲量子物態(tài)：自旋零帶隙節(jié)線半金屬，并預(yù)言了一系列具有自旋零帶隙節(jié)線半金屬態(tài)特征的真實材料。
探索拓撲態(tài)和磁性態(tài)是凝聚態(tài)物理和材料物理領(lǐng)域重要的研究課題，拓撲序與磁有序的相互作用，能衍生出更為豐富的物理效應(yīng)。磁性拓撲準金屬(semimetal)因具有特殊的拓撲表面態(tài)（費米弧、鼓膜表面態(tài)等）、奇異的輸運性質(zhì)（負磁阻、磁光性質(zhì)等）以及高的載流子遷移率等優(yōu)點受到廣泛的關(guān)注。然而目前已發(fā)現(xiàn)和合成的磁性拓撲準金屬絕大多數(shù)的能帶節(jié)點或節(jié)線遠離費米能級，導(dǎo)致本該具有的奇特性能實驗上難以觀測，因而搜尋能帶節(jié)點或節(jié)線恰好在費米能級處的理想磁性拓撲準金屬仍是當前亟需解決的問題。另一方面，自旋極化率為100%的磁性半金屬(half-metal)在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。結(jié)合兩者優(yōu)勢，北京理工大學(xué)姚裕貴教授團隊最近提出了一種新型拓撲量子物態(tài)——自旋零帶隙節(jié)線半金屬，即兼具準金屬(semimetal)和半金屬(half-metal)獨特物性的一種新型準半金屬拓撲量子態(tài)。
圖1 自旋零帶隙節(jié)線半金屬的不同類型及相應(yīng)的態(tài)密度。紅色代表自旋向上的通道，藍色代表自旋向下的通道。黃色代表節(jié)線態(tài)。
該研究工作首先對自旋零帶隙節(jié)線半金屬進行了分類：一類是由相反自旋成份形成的節(jié)線，另一類是由相同自旋成份構(gòu)成的節(jié)線，如圖1所示。后者在費米能級處的電子具有相同的自旋態(tài)，因而電子具有100%的自旋極化率，預(yù)計在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景。進一步該工作預(yù)言了一系列具有自旋零帶隙節(jié)線半金屬態(tài)特征的真實理想材料，如圖2所示。該類材料中的拓撲節(jié)線自旋零帶隙半金屬受時間和空間反演或滑移鏡面對稱性保護，且具有自旋極化的表面平帶，這表明該類材料還有可能給關(guān)聯(lián)自旋物理提供一個理想的研究平臺。該工作將為進一步的實驗證實和應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，為實現(xiàn)高效低耗、高集成度的微型化新型拓撲自旋電子學(xué)器件和拓撲量子器件等提供潛在可能。
圖2 (a-c)為所預(yù)測的10種具有 R -3c 和 R 3c 空間群材料。圖(d)和(e)分別為兩種典型候選材料PdF3和ZnTiMn(PO4)3的自旋極化能帶圖和態(tài)密度圖。圖(f)和(g)分別為PdF3和ZnTiMn(PO4)3的[111]面的表面色散和態(tài)密度。
該工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京理工大學(xué)等單位的支持。
該工作發(fā)表于物理學(xué)頂級期刊《Physical Review Letters》： Run-Wu Zhang, Zeying Zhang, Cheng-Cheng Liu, and Yugui Yao; “Nodal Line Spin-gapless Semimetals and High-quality Candidate Materials”, Physical Review Letters, 124, 016402 (2020).
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.016402
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