南大温锦生与李建新联合团队第二次在实际资料

拓扑材料是当前凝聚态物理和材料科学的研究热点,随着研究的深入,拓扑材料的分类越来越丰富和多样化。其中二类狄拉克半金属便是人们在2017年发现的一类新型的拓扑材料,其能带结构拥有沿某一动量方向严重倾斜的线性色散狄拉克锥。新奇的能带结构也会带来一系列奇异的物理性质,因此受到了广泛关注。当前,二类狄拉克半金属的实验研究局限于PtSe2材料家族。但该家族的几种材料(PtSe2、PtTe2、PdTe2)能带结构都不完美,费米面离狄拉克点较远,且都有平庸杂带穿过费米面,对研究二类狄拉克半金属的奇异性质极为不利。因此寻找一种拥有优化能带的理想二类狄拉克半金属成为了相关研究亟待解决的关键问题。

该工作得到人工微结构科学与技术协同创新中心和固体微结构物理国家重点实验室的支持,国家重点研发计划、国家自然科学基金以及江苏省自然科学基金等项目的资助。

实际上,根据拓扑能带理论,能带结构的拓扑属性不依赖于体系中准粒子的统计属性。这意味着除了拓扑费米子之外,拓扑玻色子也应当存在。到目前为止,拓扑玻色子在光子晶体、声子晶体等人造材料中被广泛实现,然而却很少在真实材料中被发现。磁振子作为自旋波量子——磁有序材料磁激发的准粒子,拥有玻色子的属性。虽然也有大量的理论工作提出了各种磁振子拓扑态,实验上一直鲜有报道,特别是在三维体系中,还未有拓扑磁振子态被发现。在拓扑磁振子系统中,非零的贝利曲率会导致电中性的磁振子具有反常热霍尔效应,并且非平庸的能带结构会使体系出现受拓扑保护的表面态,这些性质使得拓扑磁振子材料在发展高效率、低耗散的新型电子自旋器件上具有十分重要的应用前景。因此,在实验上找到这样的材料具有重要意义。

近日,南京大学物理学院、电子学院、中国科学技术大学、中科院物理所、国家纳米科学中心、西湖高等研究院等单位共同合作,在二类狄拉克半金属能带优化的相关研究中取得新进展。成果以《二类狄拉克半金属Ir1−xPtxTe2中的能带优化与超导电性》(Band Structure Perfection and Superconductivity in Type-II Dirac Semimetal Ir1−xPtxTe2)为题,于7月17日发表在《先进材料》(Advanced Materials)上(DOI: 10.1002/adma.201801556)。南京大学物理学院费付聪、薄祥两位同学为共同第一作者。宋凤麒教授、万贤纲教授、王伯根教授联合担任通讯作者。中国科学技术大学孙喆课题组、中科院物理所吕力课题组提供了部分实验条件的支持。

(物理学院 科学技术处)

该工作首次在一个真实的三维磁性材料中观测到拓扑磁振子激发,丰富了材料科学;发现了一种狄拉克和三重简并磁振子共存的新颖拓扑态,加深了人们对于拓扑能带理论的理解;对于量子拓扑领域的发展具有重要意义。

该工作针对PtSe2家族能带上的不足,提出并证实了一种新型的二类狄拉克半金属Pt掺杂的IrTe2体系,其能带结构较PtSe2家族有了极大的优化,是一种理想的二类狄拉克半金属。不同Pt掺杂量的单晶样品通过助熔剂法成功合成。实验表明Pt替位掺杂不仅抑制了IrTe2纯相中低温下发生的结构相变,同时起到了电荷掺杂的作用,对费米面调控起到了关键作用。结合第一性原理计算与角分辨光电子能谱,Ir1−xPtxTe2体系的能带结构被系统地研究,实验与理论计算高度吻合,其费米面附近仅有狄拉克能带的贡献,且通过改变Pt掺杂含量可将费米面在狄拉克点附近进行调控,当掺杂量x

0.3时,费米面刚好切过狄拉克点。同时该工作还发现当费米面靠近狄拉克点时,Ir1−xPtxTe2样品会体现出超导电性。且对于费米面刚好位于狄拉克点的样品,其超导电性仍然保持,超导转变温度约为0.15 K。

Ir1−xPtxTe2体系集二类狄拉克锥、费米面可调、超导电性于一身,有希望为二类狄拉克半金属的相关研究提供良好的材料平台,也为拓扑超导和马约纳拉费米子的相关研究提供了可能的平台。

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图: Pt掺杂的IrTe2能带优化策略示意图; Ir1−xPtxTe2的角分辨光电子谱; Ir1−xPtxTe2的超导电性。

(物理学院 科学技术处)

石墨烯、拓扑绝缘体等近来热点凝聚态体系的核心物理在于狄拉克电子,鉴定狄拉克电子的关键指征之一是半整数序列的量子霍尔效应。然而,由于固体对称性要求非简并的狄拉克锥总是成对出现,狄拉克电子量子霍尔效应实验中都只能看到整数平台。单个狄拉克通道的1/2量子霍尔效应来源于宇称反常,其观测十分困难。拓扑绝缘体的两个狄拉克锥分布在器件的上下两个表面,这给表面独立调控实现单狄拉克通道量子霍尔效应并观测宇称反常带来了希望。

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课题组进一步提出了朗道能级杂化的“滞后模型”来理解实验结果。钴团簇通过与上表面的反铁磁交换,会给表面态打开一个能隙。在磁场下,理论发现交换场能隙使得最低的朗道能级从原来的狄拉克点处移动到这个能隙的顶端。因此当磁场从高场下降时,磁性修饰后的朗道能级杂化过程将被推迟,从而就形成了上表面反常的量子化轨迹。同时下表面仍然显现正常量子化特征,这最终导致了上、下表面的量子化过程发生分离,从而实现了半整数的量子霍尔平台。

图1. a, Cu3TeO6的晶体及磁结构。为简洁起见,图中只标注了Cu原子。箭头为自旋示意图。b, 倒空间中的第一布里渊区以及各主要高对称点。c和d,中子散射实验所得到的分别沿着动量空间[001]和[111]方向的磁激发谱。c和d中的白线为理论计算的结果。虚线为b图所示的在动量空间中的位置。

在该工作中,研究团队试图用磁性团簇沉积的方式来调控拓扑绝缘体表面的两个狄拉克通道。他们发现未修饰的拓扑器件在3特斯拉就开始出现量子霍尔效应。此外,即使在单个表面沉积大量磁性团簇拓扑从而彻底破坏时间反演,也并不能抑制拓扑表面态的量子霍尔效应。施加一个27.4特斯拉的强磁场,扫描栅压仍然可以获得5个整数霍尔平台。这揭示了表面态拓扑保护的强健性。尽管拓扑表面的量子霍尔特性无法彻底抑制,但是有可能会由于磁性团簇而发生滞后效应。在这一思想指导下,课题组在一个中等场附近仔细调控最终获得了3/2的量子霍尔平台。经过重整化群流图分析,这一3/2平台是下表面单个狄拉克通道量子化的结果。

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这一实现有两个重要的前提。一是经过多年努力,课题组获得了体相绝缘的拓扑绝缘体单晶样品。该工作中绝缘体块材的电阻率已经达到10Ωcm以上的数量级,而且不同厚度的器件表现出接近量级的面电导,这证实拓扑表面态已经主导了样品的输运。通过进一步的样品优化,课题组近来已经实现千分之一的霍尔平台精确度。二是原子团簇修饰的独特性。理论模型指出磁性颗粒修饰打开的能隙起到了拖延上表面量子化的作用,通过计算分析,这个能隙大小至少为4.8meV。

将“拓扑”这一数学概念引入物理学后,一方面推动了基础物理学研究的发展,另外一方面也促使了大量新颖拓扑量子材料的出现,例如石墨烯、拓扑绝缘体、三维狄拉克半金属以及外尔半金属等,大大地丰富了材料科学,为低耗散、更稳定的下一代电子器件的发展奠定了材料基础。这些材料中具有拓扑属性的准粒子是满足费米统计的电子,即费米子。这些费米子的能带具有拓扑性质,其两条线性交叉的色散可以用狄拉克或外尔方程进行描述,分别对应着狄拉克或外尔费米子。除此之外,还可能存在超越狄拉克-外尔框架的新的费米子,如三重简并费米子。与狄拉克或外尔费米子不同的是,三重简并费米子具有二条线性能带和一条平带交叉的能带结构。

南京大学物理学院、电子学院、中国科学院强磁场科学中心、中国科学技术大学和中科院物理所合作的课题组利用团簇调控拓扑绝缘体获得单狄拉克通道量子霍尔效应。相关研究成果以“Anomalous quantization trajectory and parity anomaly in Co cluster decorated BiSbTeSe2nanodevices”为题,发表在在Nature Communications (Nat. Commun. 8, 77 上。南京大学物理学院张帅、王锐两位同学和中科大的皮雳教授为论文的共同第一作者,宋凤麒教授、王伯根教授、张裕恒教授为论文共同通讯作者,中科院强磁场科学中心和中科院物理所李永庆组提供了关键的支持。

近日,南京大学物理学院温锦生教授、李建新教授、万贤刚教授以及于顺利副教授等人通力合作,利用中子散射结合理论模拟对三维反铁磁体Cu3TeO6进行研究,首次在真实材料体系中观测到了三维拓扑磁振子激发。该研究成果以“Discovery of coexisting Dirac and triply degenerate magnons in a three-dimensional antiferromagnet”为题,发表在《自然通讯》上[Nature Communications 9, 2591 ]。这是温锦生教授课题组近一年多来在量子磁性方面在国际权威期刊发表的第5篇文章,之前有4篇关于量子自旋液体的工作发表在《物理评论快报》上,其中有2篇也是与李建新教授课题组合作完成的。

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(物理学院 科学技术处)

图12K和27.4T下的5个量子霍尔平台;7.2T下的3/2量子霍尔平台;钴团簇修饰后的重整化群流分析;钴团簇修饰后的反常量子化轨迹与铜团簇修饰后的轨迹。

为了进一步确认研究团队前期结论,该团队基于线性自旋波理论,采用一个以最近邻磁相互作用J1为主要项的模型进行了计算,很好地描述了实验观测到的磁激发谱。理论计算所得到的能带如图1c,d白线所示。分析表明,图1d中,在动量空间P点的不同能量位置存在三个狄拉克点,靠近这些狄拉克点的线性磁振子激发可以用狄拉克方程描述,因此这些准粒子为狄拉克磁振子。该结果跟早前的理论预言吻合得很好[PRL 119, 247202 ]。

南京大学物理学院温锦生教授课题组的博士生鲍嵩、王靖珲和李建新教授课题组的博士生王巍为共同第一作者,于顺利副教授、万贤刚教授、李建新教授和温锦生教授为共同通讯作者。实验研究由温锦生教授课题组完成,理论研究由李建新教授及万贤刚教授课题组负责完成。其中,中子散射实验工作在美国橡树岭国家实验室散裂中子源的ARCS谱仪上完成。该工作得到了国家自然科学基金、国家重大研发计划、一流大学和一流学科建设计划、人工微结构协同创新中心的支持。

除了观察到理论所预言的狄拉克磁振子以外,该团队还发现了超越狄拉克-外尔方程的新型玻色子——三重简并磁振子。如图1c和d中的H和H’点,每个点都分别在两个能量出现三重简并点。Γ点同时存在一个狄拉克点以及一个三重简并点,但是在能量上比较接近,实验上难以分辨。这些高对称点上的能带交点,不依赖于理论模型,受到材料本身的对称性保护。我们的理论计算表明,在每一个三重简并点附近,磁振子能带由两条线性色散能带和一条平带交叉组成,因此,这些磁振子为三分量的磁振子,不同于狄拉克或外尔磁振子。

北京大学李源与中科院物理所方辰课题组合作提出Cu3TeO6是一个狄拉克磁振子体系[PRL 119, 247202 ]。如图1a所示,该材料具有立方结构,是一个三维共线的反铁磁体,磁矩方向指向体对角线方向。温锦生与李建新联合团队生长了该材料的高质量、大尺寸单晶,采用中子散射这一能够在动量-能量空间直接探测材料磁激发的手段对这些单晶进行了研究,得到了完整、清晰的磁激发谱,部分结果如图1c、d所示。从磁激发谱上看,高对称点位置,例如图1c的H点以及Γ点,能带交点清晰可见。结合对称性分析,这些交点具有稳定的拓扑属性。

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