新奇拓撲材料研究方面取得新進展

隨著近年來蓬勃發展的拓撲材料研究，人們在固體材料中陸續尋找到新奇的准粒子，從而模擬原本僅存在於高能物理中的粒子。例如，石墨烯、拓撲絕緣體的邊緣態（二維）/表面態（三維）中的低能電子可視作無質量的狄拉克費米子；外爾半金屬的低能電子可用手性區分的外爾費米子刻畫。此外，多重簡併費米子、點-線費米子等的發現，也極大拓展了凝聚態系統中准粒子家族。如何在固態材料系統中尋找甚至設計這些新奇的費米子，成為凝聚態物理新興的前沿領域之一。

最近，中國科學院半導體研究所超晶格國家重點實驗室常凱研究組在二元材料MoC中發現了點-線費米子與三重簡併費米子的共存。現有材料中穩定的點-線費米子是非常罕見的，能帶反轉引致的點-線費米子常常被不可忽略的自旋軌道耦合效應破壞，而MoC作為一種被發現了長達60年的滲碳材料，具有D_3h的晶格點群，其費米面附近能帶主要由Mo原子的d軌道組成。平面內的C_3v子群保證了三重簡併費米子的存在，同時Z方向的σh子群的鏡面反演操作則為點-線費米子的穩定提供了對稱性的保護。相關論文發表在Chinese Physics Letters（2017, 34(2): 027102）上。

在MoC的研究基礎上，常凱小組進一步研究了另一種穩定材料TaS的電子結構。TaS與MoC極為相似，體能帶中也存在三重簡併費米子與點-線費米子的共存。不同之處在於，在自旋軌道耦合作用下，TaS的一組點-線費米子在鏡面反演下保持穩定；而另一組點-線費米子則打開了非平庸的帶隙，高密度的費米面搜尋則提示，在打開的帶隙中，演生出了新的外爾費米子，這一預言經由嚴格的手性計算予以證明。由於上述費米子處於不同的能量空間，當投影到合適的表面，並進行ARPES觀測時，人們將會看到拓撲邊緣態構型的嬗變。由此，TaS成為了第一個可觀測的電子結構中同時含有三重費米子、點-線費米子與外爾費米子的新奇材料，為研究多種拓撲態的共存與轉變提供了嶄新的平台。該成果發表於Physical Review B（2017, 96(4): 045121），並被該期刊重點推介。

以上研究得到了國家自然科學基金項目的支持。

新奇拓撲材料研究取得新進展

來源：中國科學院半導體研究所

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