科學家在硅烯中發現周期勢誘導的狄拉克錐的劈裂

由第IV主族元素組成的蜂窩狀材料，比如石墨烯，具有很多奇特的物性，這些奇特物性的根源在於其費米面附近的電子錶現為無質量的狄拉克費米子。從能帶角度來說，這些材料在布里淵區的K點處的能帶為狄拉克錐。調控狄拉克費米子中的物理特性對於實現新型的量子器件具有重要意義。比如，施加周期勢可以實現狄拉克費米子費米速度的重整，複製狄拉克錐或者在狄拉克點處打開能隙，從而使得人們能夠調控其輸運性質。值得一提的是，在三維狄拉克半金屬中，破壞空間反演對稱性或者時間反演對稱性將使狄拉克錐劈裂成兩個外爾錐，產生很多新奇的物性，比如手性反常、超大磁阻等。然而，在二維材料中，尚無實驗證據表明狄拉克錐可以發生動量上的劈裂。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF9組特聘研究員馮寶傑、研究員陳嵐、吳克輝與SF10組的博士生周輝、研究員孟勝進行合作，利用角分辨光電子能譜（ARPES）並結合理論計算髮現了單層硅烯的狄拉克錐會發生劈裂，該劈裂是由於襯底的長程周期勢所導致。

硅烯作為一種新型的量子材料，具有很多優於石墨烯的奇特物性，比如量子自旋霍爾效應等，因此硅烯在石墨烯出現之後便受到了廣泛的關注。實際上，2016年，SF9組同SC7組研究員周興江進行合作，已經發現了成對出現的狄拉克錐(PNAS113, 14656 (2016))。在此基礎上，他們對這些狄拉克錐的起源進行了深入的研究。他們利用同步輻射光源的ARPES詳細地研究了硅烯的電子結構：利用線二色性效應，發現狄拉克錐僅對p偏振光可見，結合ARPES中的矩陣元效應，可以判斷出這些狄拉克錐主要來自於硅的pz軌道，從而在實驗上證實了這些狄拉克錐來自於硅烯本身。利用第一性原理及緊束縛模型，他們發現硅烯與襯底形成的4×4超結構將產生周期性的勢場，該周期勢場將使狄拉克錐發生劈裂。

這項工作一方面為調控狄拉克錐的物性提供了一項重要的手段，另一方面澄清了長期以來硅烯中的狄拉克錐是否被襯底破壞的爭議。這一成果發表在《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett.122, 196801 (2019)）上。該工作得到國家自然科學基金委、科技部和中科院B類先導專項等的資助。

來源：中國科學院物理研究所

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