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中国科学院物理研究所 T03组供稿 第27期 2017年06月16日
北京凝聚态物理国家实验室
重费米子体系CeRu4Sn6中的外尔费米子态
  拓扑材料是近几年凝聚态物理领域的研究热点之一。根据电子结构的不同,拓扑电子材料可以分为拓扑绝缘体和拓扑半金属两大类。两者均存在拓扑保护的无能隙表面态,不同之处在于拓扑绝缘体的体态是全能隙的绝缘态,而拓扑半金属的体态在费米面附近存在零能隙的简并点或线。目前,已经被发现的拓扑半金属包括Dirac半金属,Weyl半金属,Nodal-line 半金属以及具有三重简并度的“New Fermion”等。由弱关联电子形成的拓扑半金属态,理论计算和分析已经比较成熟。能否在强关联材料体系中寻找这类拓扑材料是理论上非常关心的问题,因为强关联效应可以带来很多有趣的物理,如通过外场诱导不同拓扑物态之间的相变。
  已有的实验结果表明,CeRu4Sn6是一类典型的强关联重费米子体系,其中Ce的4f电子占据数大约是0.95,这与GGA+SOC的计算结果不符。2016年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)T03组戴希研究员和翁红明研究员指导博士生徐远锋和岳长明,利用Gutzwiller变分法结合第一性原理重新计算了该体系的准粒子电子结构。在考虑f电子强相互作用下,得到了该材料的准粒子能带和原子多重组态等。研究发现,f电子的强关联效应对能带的修正主要表现为以下两点:(1)4f电子的j=7/2能带被推到了费米面以上1.2eV左右,而费米能附近主要由4f的|j=5/2,jz=±1/2>和4d电子占据;(2)4f轨道形成的准粒子能带宽度减少了50%左右。这导致4f电子和4d电子在费米能附近产生反带,并且计算得到的Ce的4f电子占据数与实验结果非常吻合。
  考虑到该体系没有空间反演对称性,因此在反带附近很可能存在外尔点。他们利用Wilson-loop计算方法,在布里渊区中一共找到八对Weyl点,其中包括四对Type II的外尔点。通过表面态计算,可以在(010)表面看到清晰的Weyl半金属独有的“费米弧”。与已知的弱关联拓扑半金属不同,CeRu4Sn6中的外尔费米子态对Ce的价态非常敏感。通过在小范围内调节4f电子的占据数,体系会经历多个拓扑相的变化,这将为以后强关联与拓扑之间的物理研究提供一个平台。
  这一研究成果已发表在Phys. Rev. X 7, 011027(2017)上。该工作得到了基金委(No. 11674369 and No. 11422428)和科技部(No. 2016YFA0300600)等相关基金的支持。
图1 CeRu4Sn6的晶体结构和简约布里渊区
图2 在考虑自旋轨道耦合效应下,分别由LDA(a)和LDA+Gutzwiller(b)方法得到的能带结构
图3 在(001)方向(a,b)和(010)方向(c,d)的表面态的费米面
图4 CeRu4Sn6中拓扑相随4f电子占据数的变化
下载附件>> Phys. Rev. X 7, 011027(2017).pdf
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