北理工在新準粒子預言方面取得重要進展


最近,北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊和中科院強磁場科學中心的周建輝研究員以及清華大學的周樹雲教授等合作預言並在高温相的電荷密度波材料Ta2Se8I中發現第三類外爾費米子型準粒子。相關成果於近日以Type-III Weyl semimetals:(TaSe4)2I為題在Physical Review B上作為Letter形式發表。該工作受到了編輯的高度評價,被選為Editors’ Suggestion。

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圖1:三類外爾點的示意圖: (a) 第一類外爾半金屬的點類型費米麪。(b)第二類外爾半金屬的電子-空穴口袋型費米麪。(c)第三類外爾半金屬的電子(空穴)-電子(空穴)口袋類型費米麪;(d) Ta2Se8I的晶體結構 (e) 001面上四重螺旋表面態。

1929年德國數學家、物理學家赫爾曼·外爾預言了無質量的外爾費米子。 經過近一個世紀的探索,人們仍未在真空中確定“外爾費米子”這一基本粒子,因此稱之為 “幽靈粒子”。近來隨着拓撲物質態和材料物理的迅猛發展,人們發現了實現“外爾費米子”的新途徑——固體材料中的低能準粒子激發。在固體中,這些準粒子與相應的基本粒子遵循相同的運動規律,比如外爾方程。研究人員先後在多種固體材料中發現外爾費米子型準粒子,展現出諸多新奇的物理特性以及在自旋電子學和量子計算中潛在的應用前景。不同於高能物理領域,進一步的研究發現在固體材料中,外爾錐能夠傾斜並導致完全不同幾何結構的費米麪。比如,線性傾斜項使得點類型的費米麪(第一類外爾點,圖1(a) 所示)轉變為一個電子口袋和一個空穴口袋接觸的費米麪(第二類外爾點,圖1(b) 所示)。費米麪是凝聚態物理中一個基本而深刻的概念,體系的超導、密度波、磁性、電輸運等特性都與費米麪密切相關。因此,尋找具有新穎的拓撲和幾何特性的費米麪的材料成為拓撲物質態的研究中一個極其重要的前沿課題。

姚裕貴等人在高温相的電荷密度波材料Ta2Se8I中發現的第三類外爾費米子型準粒子,是一種全新的固體準粒子,其具有“三高”特性:高温相、高陳數、高階傾斜項。在該工作中,作者發現晶體對稱性可以在外爾準粒子運動方程中誘導出二階甚至更高階的傾斜項。不同於線性傾斜項,二階傾斜項在多重外爾半金屬(陳數為2或3)導致全新的第三類外爾費米子。它具有獨特的費米麪:電子-電子或空穴-空穴口袋的費米麪在同一個高陳數的外爾點處相接觸(如圖1(c) 所示)。值得指出的是,這種二階傾斜項在線性的外爾方程中不佔主導,只有在高陳數的外爾半金屬中才能起主導作用。此外,由於高陳數的外爾半金屬尚缺乏實驗證據,這也使得人們過去一直沒有發現它。

我們可以從一個簡單的能帶圖像去理解第三類外爾點中新穎費米麪的形成。線性傾斜項可以使得正波矢k的能量增加,而負波矢k的能量減少,從而形成電子-空穴口袋類型的費米麪(如圖1(b) 所示)。然而,二階傾斜項使得正負波矢k的能量同時增加或減小(取決於二階傾斜項係數的正負),導致電子-電子或空穴-空穴口袋類型費米麪(如圖1(c) 所示)。作者基於外爾點的廣義傾斜項提出統一地分類第一、二、三類外爾半金屬的直觀且清晰的物理機制。

角分辨光電子能譜實驗表明高温相的Ta2Se8I(圖1(d))具有第三類外爾費米子的特徵能量色散。另外,作者發現二階傾斜項導致第三類外爾半金屬的朗道能級的上翻現象以及手性朗道能級的劈裂,這些都可作為實驗中診斷第三類外爾半金屬的指針性證據。事實上,低温相的Ta2Se8I作為經典的電荷密度波材料已經被寫入固體物理教科書,但是人們對於其高温相的拓撲性質和派爾斯相變機制的認識還不夠清楚。這個工作首次揭示了高温相的Ta2Se8I中外爾半金屬的本質,將為探討相關的新奇物性提供理論指引(如圖1(e) 所示)。該工作預言的第三類外爾費米子也被別的課題組在鐵磁材料X2RhF6(X="K," Rb, Cs)中發現(Phys. Rev. B 102, 195104 (2020))。

該工作得到國家重點研發計劃項目(Grant No.2016YFA0300600),國家自然科學基金項目(Grant No.11734003)以及中國科學院戰略性先導研究計劃項目(Grant No.XDB30000000)的資助。

文章鏈接://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.103.L081402


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