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复旦大学物理学系修发贤课题组
首次在磁光谱中观测到手性朗道能级

来源:物理学系发布时间:2018-05-10

近日,复旦大学物理学系教授修发贤课题组在外尔半金属砷化铌中探测到手性朗道能级。5月10日,相关研究成果以《外尔半金属砷化铌中的手性朗道能级与拓扑准粒子》(Chiral Landau
levels in Weyl semimetal NbAs with multiple topological carriers)为题在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-018-04080-4)。

近年来,外尔半金属作为一种新型拓扑半金属获得了广泛的关注。这类拓扑半金属有新奇的电学特性,比如线性色散的能带结构、超高的迁移率和超大的磁阻。空间反演对称性破缺导致不同外尔点在动量空间分开,两个手性相反的外尔点成对出现,并可以看做动量空间中的磁单极子。这种特殊能带的低能激发所对应着的外尔费米子在粒子物理中始终没有被发现,曾一度被称为幽灵粒子。但随着在凝聚态体系中外尔半金属的实现,越来越多新颖的物理性质和非常规现象被预言并发现,一些粒子物理中所预言的现象也得以在晶体中被验证。

手性反常,作为外尔半金属中最奇特的性质之一,备受关注。1929年,德国科学家外尔
(Weyl)指出,无质量外尔费米子 (Weyl Fermion) 可以分为左手和右手两种不同“手性”。对于这种特殊的费米子,在平行电磁场下,一个外尔点附近的电子会被持续的传送到另一个外尔点附近。由于两个外尔点具有相反的手性,系统会因此积累具有净手性的电荷。同时,考虑到有限的散射,系统会产生稳定的净手性电流。在直流极限下,电导率会因此随磁场增加而升高,这一负磁阻现象在不同的外尔半金属中被广泛的观察到。手性磁效应的根本机制,在理论上被认为是磁场下产生的手性朗道能级所导致的。然而,尽管输运上的负磁阻被广泛报道,作为外尔半金属的重要特征,这一类特殊朗道能级却始终没有被实验直接观察到。其难度在于苛刻的实验条件和合适的材料体系:既要找到一种能在强磁场下观察朗道能级的手段,又要获得常高质量且低费米面的晶体。

外尔半金属中的手性朗道能级和光学跃迁示意图

该项研究工作利用强磁场红外光谱,同时结合磁场输运、光谱学、能带计算和其他样品表征手段,对外尔半金属砷化铌开展了系统而深入的研究。磁光谱的实验手段和高质量的砷化铌晶体使观察外尔半金属朗道能级提供了可能。

研究结果表明,该体系中存在一种朗道能级,它与所有已知的朗道能级所导致的光学特征完全不同。在拓扑半金属中所找到的朗道能级共同点是光学跃迁发生在零动量点,因此,跃迁频率只与朗道能级在零动量的间隔相关。然而,在外尔半金属砷化铌中,光谱上的共振特征显示,光学跃迁来自于非零动量处,并且跃迁频率随费米面的不同也表现出强烈的变化。

课题组描绘了寻找已久的手性朗道能级。由于外尔半金属的手性朗道能级在磁场方向是线性色散的,光学跃迁有可能发生在非零动量处。此时,对应的跃迁频率也将明显受到费米面的影响。对于已进入和未进入量子极限的两个外尔点,允许的光学跃迁数目将完全不同。磁光谱中的诸多证据都清楚地证明了砷化铌中存在着独特的手性朗道能级。

这一结果为外尔半金属中的手性磁效应提供了坚实的基础,也为区分手性磁效应和其他非本征效应提供了有力的判断依据。手性能级的发现展现了外尔半金属对外场的特殊响应,更重要的是显示了外尔半金属的新奇光物质相互作用,这将在光学方面有广泛的应用,也进一步拓展了外尔半金属的器件应用前景。比如,基于手性电荷所预言的外尔半金属负折射,可实现对光学衍射极限的突破。另一方面,手征性作为一种赝自旋,使外尔半金属可以应用到自旋和能谷电子学中,从而实现新一代的低能耗存储器件。

修发贤课题组主要从事拓扑材料的生长、量子调控以及新型二维原子晶体的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在二维材料的器件方面主要研究其电学、磁学和光电特性。

该工作由复旦大学物理学系、武汉国家脉冲强磁场中心和美国国家强磁场实验室等单位合作完成。论文的第一单位为复旦大学物理学系,复旦大学物理学系教授修发贤、晏湖根为通讯作者,复旦大学物理学系博士生袁翔、严忠波和宋超宇为共同第一作者。该工作受到了夏正才教授和Smirnov研究员提供的强磁场支持,中科院物理所陈小龙研究员提供的样品支持,北京大学王楠林教授的光谱测量支持,清华大学高等研究院汪忠教授的理论支持,同时获得了复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室、国家青年千人计划、国家重点研发计划、基金委优秀青年基金和面上项目的大力支持与资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-04080-4

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