将量子霍尔态第叁遍引进到拓扑半金属,物理所

作者: 航空航天  发布:2019-09-15

复旦大学等 将量子霍尔态首次引入到拓扑半金属

复旦大学物理系教授修发贤课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中,探测到由表面态费米弧和体态手性能级构成的一种新型电子回旋轨道——外尔轨道,并首次发现其在强场下的量子霍尔效应。该项工作是在中科院强磁场科学中心、美国国家强磁场实验室等单位提供的强磁场条件下完成的。近日,相关研究成果在线发表于《自然—通讯》。

20世纪初,人们在量子力学的研究中发现,每种对称性都对应于一个守恒量,如时间平移对称性之于能量、空间平移对称性之于动量、空间旋转对称性之于角动量等等。本世纪初,人们借助数学中的分支——拓扑学中的概念,发现了一类全新的由对称性保护的“守恒量”,即“拓扑量子数”。对拓扑量子态的研究,近年来已经成为了国际上凝聚态物理的主流前沿方向。

本报讯复旦大学物理系教授修发贤课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中,探测到由表面态费米弧和体态手性能级构成的一种新型电子回旋轨道——外尔轨道,并首次发现其在强场下的量子霍尔效应。该项工作是在中科院强磁场科学中心、美国国家强磁场实验室等单位提供的强磁场条件下完成的。近日,相关研究成果在线发表于《自然—通讯》。

研究人员研究了耦合轨道面积和体态费米波矢依赖关系,从另一个角度证明了外尔轨道的机制。本次实验的高质量砷化镉纳米晶体相比之前研究中的块材具有极低的费米面,在强磁场下能突破体态的量子极限并将表面电子态处于较低的朗道能级。出乎意料的是这一耦合轨道在实验中呈现出了量子霍尔效应。

与传统的守恒量不同,拓扑量子数不与任何局域场耦合。这一特性是一把双刃剑:一方面保证了拓扑性质几乎不受外界扰动所影响,非常稳定,因此成为了储存量子信息的热门候选;另一方面使得用已知的探测方法直接观测拓扑量子态变得非常困难。而人们之所以还可以用实验手段研究拓扑性质,仰赖的是所谓的“体表全息原理”。这一原理告诉我们,任何系统体内的拓扑量子态都会与它表面上某种特异的无能隙表面态一一对应,因此通过对表面态的能谱和波函数的观测,人们可以间接得到体内的拓扑量子数。这一原理仅仅揭示了这种对应关系的存在,而并没有指出对于具体的一个拓扑量子态,“特异的无能隙表面态”到底是什么。对于拓扑绝缘体和拓扑超导体,人们已经知道表面态是狄拉克锥和马约拉纳锥,而对于拓扑半金属的表面态,目前还没有一个统一的、准确的描述。

研究人员研究了耦合轨道面积和体态费米波矢依赖关系,从另一个角度证明了外尔轨道的机制。本次实验的高质量砷化镉纳米晶体相比之前研究中的块材具有极低的费米面,在强磁场下能突破体态的量子极限并将表面电子态处于较低的朗道能级。出乎意料的是这一耦合轨道在实验中呈现出了量子霍尔效应。

常规来说,量子霍尔效应只发生在二维体系,而此处的外尔轨道具有沿磁场方向的体态运动,发生在第三个维度。对此,实验现象反过来说明通过手性能级的体态过程也是个无耗散的输运,并且样品的尺寸限制效应导致了对应体态的输运模式是有限的。根据量子霍尔电阻随磁场的演变,电子态的一些关键参数比如简并度、费米弧长度等也被分析获取,对后续的深入研究起到了很好的推动作用。

由中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室凝聚态理论与材料计算重点实验室副研究员方辰、光物理重点实验室副研究员陆凌、麻省理工学院博士后刘军伟和教授傅亮组成的研究小组发现,拓扑半金属所对应的特异的表面态可以用一类“非紧致的黎曼面”进行描述。这一描述统一了外尔半金属和狄拉克半金属中表面态的理论模型和实验现象,并引导研究小组提出了两类全新的拓扑半金属态以及相应的材料体系。

常规来说,量子霍尔效应只发生在二维体系,而此处的外尔轨道具有沿磁场方向的体态运动,发生在第三个维度。对此,实验现象反过来说明通过手性能级的体态过程也是个无耗散的输运,并且样品的尺寸限制效应导致了对应体态的输运模式是有限的。根据量子霍尔电阻随磁场的演变,电子态的一些关键参数比如简并度、费米弧长度等也被分析获取,对后续的深入研究起到了很好的推动作用。

外尔半金属是最简单的拓扑半金属,同时也是目前最受关注的。研究小组从理论上证明,外尔半金属的表面态的色散关系(两个水平轴对应表面布里渊区的动量,纵轴对应能量),可以同构于三维空间中的一个螺旋面,而螺旋面的中轴穿过体态中Weyl点在表面的投影。一个电子绕着Weyl点的投影走一圈,它的能量不会回到原本的值,而是走到了上一个或者下一个表面能带上。这就像很多如图所示的停车大楼的设计,车可以通过绕圈来到上一层或者下一层。这一理论首次给出了Weyl半金属表面态的全局图像,在这一图像下,之前被实验所观察到的“费米弧”成为了一个非常自然的结果。另一方面,螺旋面是最简单的“非紧致黎曼面”,这一发现建立起了最简单的拓扑半金属与最简单的黎曼面之间的直接对应。这也让研究小组意识到一个问题:是否更复杂的拓扑半金属的表面态,就会对应更复杂的黎曼面结构呢?沿着这个思路,研究小组发现了两类新的、由滑移面对称性所保护的拓扑半金属。它们的表面态分别由两个和四个相互交叠的螺旋面组成,而晶体对称性保证了它们相交的地方无法打开能隙。其中对于由双螺旋面组成的表面态,研究小组找到了它所对应的体态拓扑量子数,并且通过第一性原理计算的方法,提出了如何在锶-钙-铱-氧化物的超晶格中实现这类新的拓扑量子态。

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