靜水壓調控拓撲材料ZrTe能帶結構研究獲進展

近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心副研究員張警蕾與研究員田明亮課題組、浙江大學袁輝球課題組合作，在靜水壓調控拓撲材料ZrTe5能帶結構研究中取得新進展。相關研究結果以Disruption of the Accidental Dirac Semimetal State in ZrTe5 under Hydrostatic Pressure 為題在美國物理學會期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表。

自上世紀80年代以來，層狀的ZrTe5作為一種傳統的熱電材料而廣受關注。最近的研究表明，單層ZrTe5是一類大能隙的二維拓撲絕緣體；而由層狀ZrTe5堆積而成的三維體材料則處於三維強、弱拓撲絕緣體相變點附近。另一方面，針對ZrTe5的輸運和角分辨光電子能譜測量表明該材料屬於三維狄拉克半金屬。由於ZrTe5電子結構對晶格參數非常敏感，因此細微的晶格參數改變都可能導致其在強、弱拓撲絕緣體態、狄拉克半金屬態之間發生相互轉變。

壓力是調節晶格參數最為有效的方法。利用活塞式壓力包，研究人員對ZrTe5電子態在0~2.5GPa壓力區間的演化進行了深入研究。實驗發現，磁場方向沿著晶體b軸方向時，ZrTe5的磁阻隨著壓力的增加會迅速地減小。此外，當壓力高於2GPa時，ZrTe5的量子振蕩相位會由拓撲非平庸變為拓撲平庸。這表明靜水壓破壞了ZrTe5的「偶然」狄拉克半金屬態。另一方面，磁場方向沿著晶體c軸時，ZrTe5磁阻與量子震蕩幾乎不受到靜水壓的影響。對不同磁場方向的量子振蕩分析結果顯示，伴隨著狄拉克半金屬態的消失，ZrTe5費米面由各向異性極強的准二維結構演變成各向同性的三維結構。這一結果有力地支持了ZrTe5的狄拉克錐具有準二維特點。該工作對於理解ZrTe5「偶然」狄拉克半金屬態具有重要意義。

該研究得到了國家重點研究計劃項目、國家自然科學基金、安徽省自然科學基金以及合肥大科學中心等項目的支持。部分實驗數據在穩態強磁場實驗裝置多功能物性測試系統（PPMS）設備上採集完成。

論文鏈接

不同壓力下ZrTe5的（a）磁阻（b）量子振蕩（c）ZrTe5量子振蕩頻率以及有效質量隨壓力的變化；（d）不同壓力下，ZrTe5朗道指數隨磁場倒數的關係。

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