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中国科学院物理研究所 SF9组供稿 第51期 2017年11月10日
北京凝聚态物理国家实验室
首次在实验上验证二维“节线”(node-line)拓扑半金属
   “拓扑半金属”是不同于“拓扑绝缘体”的一类全新的拓扑电子态,因具备非同寻常的奇异磁输运性质(如负磁阻、巨磁电阻)以及极高的载流子迁移率等优势迅速成为量子材料领域崭新的研究热点和前沿。 它类似"三维的拓扑表面态",被认为是拓扑态可能取得实际应用的突破点之一。根据能带在费米面处的交叉点在晶格动量空间的分布,拓扑半金属可以分为拓扑狄拉克半金属、外尔半金属和“节线”(Node-Line)半金属。其中,在拓扑节线 半金属中,能带的交叉点在晶格动量空间形成连续的闭合曲线。在这种表面平带(flat band)中引入电子关联效应或超导配对,将有望实现分数拓扑态或高转变温度超导等新物态。
  另一方面,新型二维材料在最近几年也吸引了人们的广泛关注。二维材料性质各异,且易于调控和集成,其丰富多彩的电子态和物理效应为构筑新型的电子器件提供了新机遇。二维材料的鼻祖-石墨烯,实际上正是一种二维的狄拉克半金属材料。那么二维的节线半金属是否存在呢?理论预言,单层的蜂窝状晶格,honeycomb-kagome晶格,以及单层的过渡族金属-五族化合物都有可能存在节线半金属费米子,但是寻找真正的节线半金属费米子材料具有很大的挑战性。
  最近,中科院物理所SF09研究组的陈岚研究员、吴克辉研究员、程鹏副研究员与北京理工大学的姚裕贵教授以及日本东京大学的冯宝杰博士、Matsuda教授等人合作在这个领域取得了突破,利用高分辨ARPES测量结合理论计算,验证了单层Cu2Si薄膜中Node-Line半金属费米子的存在。
  单层Cu2Si薄膜由Cu原子形成的蜂窝状晶格和Si原子形成的三角形晶格相互交错形成,利用MBE的制备方法将Si原子蒸镀到Cu(111)单晶表面可以形成高质量的单层Cu2Si薄膜。通过高分辨ARPES的测量发现,Cu2Si单层薄膜的等能面呈现为三个以Г点为中心的六边形、六角星形和圆形,分别与理论计算中的α、β和γ能带相对应。其中γ能带线性地穿过α、β能带,形成了两个以Г点为轴心的Dirac nodal lines,并且受镜面反演对称性的保护。进一步利用偏振光发现了α、γ能带与β能带具有相反的极性,与理论计算完全吻合,给出了单层Cu2Si薄膜节线半金属拓扑非平庸属性的直接实验证据。该结果不仅将Dirac nodal lines的概念由三维拓展至二维,同时为实现纳米尺度的新型拓扑量子器件提供了一种新的可能途径。
  这是国际上首个关于二维节线半金属的实验工作。该结果发表于NATURE COMMUNICATIONS | 8: 1007(2017)
  该项工作得到了国家重点研发计划(2014CB920903, 2016YFA0300600, 2013CBA01601, 2016YFA0202300)、国家自然科学基金委(11574029,11225418, 11674366,11674368)和中科院先导计划(XDB07000000)的资助。
图.(a)Cu2Si的结构模型图。(b-c)分别在未考虑和考虑自旋轨道耦合情况下,理论计算得到Cu2Si的能带结构。(d-e)理论计算得到的Cu2Si在费米面处和费米面以下1.0eV处的等能面。(f)Cu2Si和Cu(111)表面的布里渊区示意图。(g-j)由ARPES实验得到的Cu2Si在不同能量处的等能面。
下载附件>> Experimental realization of two-dimensional Diracnodal line fermions in monolayer Cu2Si.pdf
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