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中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-029）——拓扑绝缘体中发现一维外尔费米子

已有 400 次阅读 2023-12-11 10:07 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——拓扑绝缘体中发现一维外尔费米子

手征费米子理论上可以存在于所有奇数维度，外尔费米子作为一种无质量手征费米子具有开放费米弧、三维外尔轨道、手征反常等奇异量子现象，已在三维外尔半金属中被广泛研究。在教科书中对外尔方程的描述总是从一维出发，再推广到我们熟悉的三维甚至更高维度。可见，一维外尔费米子，作为外尔费米子最低维度也是最简洁的形态，具有重要的研究价值，但尚未在实验上被发现。

针对这一问题，华东师范大学袁翔教授和复旦大学张成研究员合作，在三维拓扑绝缘体体系HfTe₅中设计并实现了一系列由强磁场调控的拓扑量子相变，并在极强磁场下首次发现一维外尔费米子并探索其电磁响应。外磁场下，体系发生朗道量子化，三维系统等效降维成一维系统，具有一维能带色散结构。在35 T极强磁场下系统发生拓扑Lifshitz相变，费米面变成分立的两段并各自包裹相反手性的“外尔锥”。其色散结构和自旋构型均类似于著名的外尔半金属中三维Bloch能带形成的外尔点。

_{图1. 拓扑绝缘体中磁场诱导的相变。}

维度的变化往往会带来全新的物理现象。一维外尔费米子作为首次发现的低维手征费米子，研究团队进一步探索了它的电磁响应。研究团队验证了理论预言的线性色散准粒子维度相关光电导率的一维情况。实验上，在远红外波段探测到一个不对称的吸收峰，该吸收峰的线型符合考虑泡利阻塞的一维线性能带的光学跃迁（图2a iv），吸收峰强度随磁场不断增加符合朗道能带简并度的磁场演化（图2a ii）。同时，一维外尔费米子独有的手征反常现象也在高场输运实验中得到了证实（图2e）。

_{图2. 一维外尔费米子的发散光电导及手征反常现象。}

这一研究工作通过磁场诱导体系发生朗道量子化，等效地将三维体系降维成一维体系，从而实现了对一维外尔费米子的探索，填补了目前实验上对一维线性色散体系研究的空缺，同时为凝聚态体系中研究一维准粒子的电磁响应提供了一种策略。

研究成果以“Topological Lifshitz transition and one-dimensional Weyl mode in HfTe₅”为题在线发表于Nature Materials (Nat. Mater. 22, 84–91 (2023))，工作受到麻省理工学院Long Ju教授以“A new way to Weyl”（实现外尔物理的新途径）为题在Nature Materials期刊的News & Views栏目专文评述。华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室博士研究生吴闻彬和施泽平为共同第一作者。华东师范大学为第一完成单位，与复旦大学合作完成，通讯作者为华东师范大学袁翔教授和复旦大学张成研究员。中山大学严忠波课题组、南方科技大学卢海舟课题组与褚君浩院士团队参与研究工作。工作获得国家自然科学基金、上海市科委与华东师范大学启动经费和科技项目的支持与资助。相关实验获得华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室、极化材料与器件教育部重点实验室、物质表征中心等平台支持。

2 作者简介

通讯作者

袁翔，华东师范大学教授、博导。入选君浩青年科学家奖。

2014/2019年获复旦大学物理系学士/博士学位。长期致力于发展强磁场红外光谱技术，研究强磁场诱导的新空间维度中的拓扑物理现象。主持科技部重点研发青年项目、基金委面上项目等，以第一/通讯作者发表 Nature 1篇、Nature Materials 2篇、Nature Communications 2篇、Nano Letters 2篇，Advanced Science 1篇等。

通讯作者

张成，复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院青年研究员、博士生导师，入选上海市教委曙光学者、上海市青年拔尖人才和上海市青年科技英才扬帆计划等人才项目，担任科技部重点研发计划（青年）项目负责人。

2014年和2019年分别获复旦大学物理系学士和博士学位，2017至2018年在华盛顿大学物理系联合培养，2019年入职复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院。主要从事拓扑电子态的量子输运、量子调控和拓扑电子器件研究，代表性工作包括发现基于外尔轨道的三维量子霍尔效应；发现准线性费米弧表面态的低耗散特性并实现二维体系最高面电导率；利用非局域输运方案实现外尔费米子的手性极化操控；利用红外磁光谱首次发现动态手性反常等。在Nature、Nature Materials、Nature Communications等学术期刊共发表论文40余篇。