狄拉克半金屬是一種全新的奇特拓撲量子材料。這種材料的體電子形成了三維的狄拉克錐結構，所以可以看作是“三維的石墨烯”。另外，由於這種材料的電子結構具有非平庸的拓撲性質，它也有和拓撲絕緣體類似的表面態。這些獨特的電子結構在最近的高分辨光電子譜實驗中得到了證實。
基本介紹
- 中文名：狄拉克半金屬
- 內容：新奇量子特性的物質狀態
簡介,研究狀況,
簡介
狄拉克半金屬是一種全新的奇特拓撲量子材料。這種材料的體電子形成了三維的狄拉克錐結構，所以可以看作是“三維的石墨烯”。另外，由於這種材料的電子結構具有非平庸的拓撲性質，它也有和拓撲絕緣體類似的表面態。這些獨特的電子結構在最近的高分辨光電子譜實驗中得到了證實。
研究狀況
中國科大微尺度物質科學國家實驗室和中國科學院強耦合量子材料物理實驗室陳仙輝教授研究組近日在具有反常能帶色散的三維電子系統研究領域取得重要進展，該研究組與復旦大學張遠波教授以及中國科學院固體物理所鄒良劍研究員合作，在層狀半導體黑磷（blackphosphorus）中發現壓力誘導的電子結構拓撲相變，並確認高壓下黑磷的半金屬相中存在狄拉克費米子。相關研究成果於10月28日以“Pressure-inducedelectronictransitioninblackphosphorus”為題線上發表在權威物理學雜誌《物理評論快報》上[Phys.Rev.Lett.115,186403(2015)]。該工作的第一作者為我校博士研究生項子霽同學。
具有線性色散能帶和相對論性準粒子的三維固體材料（包括狄拉克半金屬，Weyl半金屬和Rashba半導體等）是當前凝聚態物理學界研究熱點，而擁有和石墨類似的六角格子層狀結構的元素半導體黑磷以其眾多特殊的物性（如準二維性，直接帶隙，較大的面內各向異性和高載流子遷移率）而成為近期的明星材料。陳仙輝教授研究組和張遠波教授研究組在黑磷的研究中已合作實現黑磷材料的二維場效應電晶體（NatureNanotech.2014,9,372-377），並在黑磷量子阱中實現電場誘導的高遷移率二維電子氣（NatureNanotech.2015,10,608-613）。本次報導中涉及的研究成果則在黑磷和狄拉克半金屬兩個近期備受關注的研究方向之間建立了直接聯繫。
圖示：(a)黑磷中壓力誘導的半金屬態的電導率振盪，(b)對朗道能級指標的分析表明其中存在拓撲非平庸的振盪相位。
陳仙輝教授研究組及其合作者在電輸運實驗中發現黑磷單晶中的直接帶隙會在外加靜水壓下逐漸關閉。在外加壓強達到1.2GPa時，黑磷會經歷電子相變而進入一個新的物態，這個高壓相具有典型的半金屬特徵，包括反常大的正磁阻以及電子空穴兩種載流子的共存。對高壓下半金屬態的量子振盪分析結果表明其電子結構中包括非常小的多重費米口袋和有效質量極輕的載流子，其中一個費米口袋的量子振盪信號顯示出拓撲非平庸的振盪相位，這說明該能帶具有反常的線性色散關係，其中載流子的本質則是狄拉克費米子。這一工作是首次在輸運測量中證明黑磷中存在奇異電子態，也是首次在實驗上觀察到壓力誘導的狄拉克半金屬相，對於理解固體材料中相對論性準粒子和反常色散能帶的形成與演化具有重要意義。
復旦大學物理學系修發賢課題組通過研究狄拉克半金屬ZrTe5在強磁場下的輸運性質，首次觀測到一種新奇的磁場誘導的自旋密度波態，這一發現為狄拉克半金屬的研究提供了新的角度和思路。相關研究成果發表於《自然通訊》。
狄拉克半金屬具有和石墨烯相似的能帶結構，它展現出高磁阻、高遷移率等優良電學性質。大量理論研究指出，多體相互作用能誘導狄拉克半金屬發生奇特相變，同時使原本無質量的狄拉克電子產生質量，此前尚未有實驗報導驗證這一現象。
研究者發現，ZrTe5具有很好的準二維特性，表現出體態的量子霍爾效應。同時發現ZrTe5在較小的磁場時，即可觀察到塞曼自旋劈裂現象，並且滿足材料的量子極限條件，使得多體相互作用的效應隨著磁場增大逐漸凸顯。在超強磁場的條件下，觀察到樣品電阻值的反常突變，表明發生磁場誘導相變。而這一相變是由於體系進入量子極限以後多體相互作用增強，從而引發的自旋密度波相變。
專家認為，這一發現表明了狄拉克半金屬是一個研究拓撲態關聯效應的理想平台，為進一步研究狄拉克電子性質提供了新線索。
