夏天龍教授課題組在外爾半金屬RhSn研究方面獲得重要進(jìn)展
中國人民大學(xué)物理系夏天龍教授課題組和中科院物理所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)多個(gè)課題組合作，發(fā)現(xiàn)含有新型手性費(fèi)米子的拓?fù)浒虢饘賀hSn和CoSi單晶具有相反的結(jié)構(gòu)手性，并揭示了相反的結(jié)構(gòu)手性導(dǎo)致手性費(fèi)米子的翻轉(zhuǎn)。該研究成果以“Chiral fermion reversal in chiral crystals”為題12月3日在線發(fā)表于《Nature Communications》，并被編輯推薦為亮點(diǎn)文章（Editors’ Highlights）。
除了具有四重簡并能帶交點(diǎn)的Dirac半金屬（Na3Bi、Cd3As2等）和二重簡并能帶交點(diǎn)的Weyl半金屬（TaAs家族）外，科學(xué)家們近年預(yù)言并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了多種類型的拓?fù)浒虢饘袤w系，如具有三重簡并能帶交點(diǎn)的半金屬WC、MoP，以及nodal line半金屬PbTaSe2、ZrSiS、TiB2、Co2MnGa等。當(dāng)固體中的能帶簡并攜帶非零的陳數(shù)（也被稱為手性電荷），附近的準(zhǔn)粒子激發(fā)是手性費(fèi)米子。上述體系中，外爾點(diǎn)的陳數(shù)C = ±1，狄拉克點(diǎn)的陳數(shù)C = 0，三重簡并點(diǎn)的陳數(shù)無法定義，所以狄拉克費(fèi)米子和三重簡并費(fèi)米子都沒有手性。但可以通過破缺對稱性，比如外加磁場等，將它們退簡并成手性的外爾費(fèi)米子。狄拉克半金屬和三重簡并點(diǎn)半金屬中表現(xiàn)出的許多物理性質(zhì)，例如手性反常導(dǎo)致的負(fù)磁阻效應(yīng)和表面態(tài)費(fèi)米弧等，本質(zhì)上都來源于手性的外爾費(fèi)米子。近期ARPES實(shí)驗(yàn)證實(shí)CoSi、RhSi、PtAl等一系列材料中存在新型的能帶簡并點(diǎn)，陳數(shù)C = ±2，具有清晰的費(fèi)米弧表面態(tài)和螺旋型的表面態(tài)能帶，引起國際上多個(gè)研究組的關(guān)注。
中國人民大學(xué)物理系夏天龍教授課題組合成了RhSn單晶樣品，與CoSi、RhSi等有相同的空間群P213，但單晶XRD測量表明在不引入籽晶等初始影響條件下生長的RhSn和CoSi單晶天然具有相反的結(jié)構(gòu)手性（圖1a、1b）。能帶計(jì)算顯示在不考慮自旋-軌道耦合的情況下，RhSn的體態(tài)布里淵區(qū)的中心G和角落R點(diǎn)分別存在三重和四重簡并點(diǎn)（圖1h），附近的準(zhǔn)粒子激發(fā)分別被命名為spin-1和charge-2費(fèi)米子。它們攜帶非零的陳數(shù)C = ±2，具有清晰的費(fèi)米弧表面態(tài)和螺旋型的表面態(tài)能帶（圖1i、1j、1k）。這些結(jié)果都與CoSi類似，但進(jìn)一步的計(jì)算表明RhSn和CoSi中G點(diǎn)的spin-1費(fèi)米子具有相反的陳數(shù)（圖1e、1f、1g），charge-2費(fèi)米子的情況也類似。這就意味著RhSn和CoSi中對應(yīng)的費(fèi)米子具有相反的手性，起源于它們相反的結(jié)構(gòu)手性。
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??圖1? 單晶XRD測量和理論計(jì)算表明CoSi和RhSn之間有相反手性的晶格和費(fèi)米子
ARPES數(shù)據(jù)揭示了RhSn和CoSi單晶中的手性費(fèi)米子對應(yīng)的表面態(tài)能帶呈現(xiàn)出相反的手性，標(biāo)志著在這兩個(gè)體系中這些手性費(fèi)米子的確發(fā)生了手性翻轉(zhuǎn)。在RhSn中，在（001）表面環(huán)繞spin-1費(fèi)米子的投影，有兩支非平庸表面能帶從右至左向上穿過費(fèi)米面，這對應(yīng)RhSn計(jì)算中spin-1費(fèi)米子C = -2的手性電荷（圖2a、2b）。在（001）表面環(huán)繞charge-2費(fèi)米子的投影，則呈現(xiàn)從左至右向上穿過費(fèi)米能級的兩支非平庸能帶，對應(yīng)charge-2費(fèi)米子C = +2的手性電荷（圖2c、2d）。對于CoSi單晶，表面態(tài)能帶顯示其spin-1費(fèi)米子的手性電荷C = +2（圖2g、2h），charge-2費(fèi)米子的C = -2（圖2i、2j），與RhSn的情況正好相反。這些相反手性的螺旋型表面態(tài)能帶表明RhSn和CoSi具有相反手性的費(fèi)米子。這個(gè)工作在動量空間的手性費(fèi)米子與實(shí)空間的手性晶格之間建立了直接的對應(yīng)關(guān)系。
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??圖2? ARPES測量顯示CoSi和RhSn的螺旋型表面態(tài)能帶具有相反的手性
這一工作是在中科院物理所EX7組丁洪研究員、錢天研究員、孫煜杰副研究員和中國人民大學(xué)物理系夏天龍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)和多個(gè)研究組的緊密合作下完成的。中國人民大學(xué)物理系博士生徐升和夏天龍教授制備了高質(zhì)量的RhSn單晶樣品，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)周仕明副教授進(jìn)行了單晶XRD測量，物理所EX7組博士生饒志成和孫煜杰副研究員用拋光－轟擊－退火的方法處理出原子級平整的表面，物理所T03組博士生周麗琴、王志俊副研究員和翁紅明研究員進(jìn)行了能帶和拓?fù)湫再|(zhì)的計(jì)算，物理所EX7組博士生李航和錢天研究員在上海光源“夢之線”進(jìn)行了ARPES實(shí)驗(yàn)測量，實(shí)驗(yàn)過程中得到了上海光源黃耀波研究員的全力支持。作為比較，這個(gè)工作中還采用了CoSi單晶的數(shù)據(jù)，來自于中國人民大學(xué)物理系雷和暢教授課題組和中科院物理所EX7組丁洪研究員、錢天研究員、孫煜杰副研究員等之前的合作研究工作。
相比于CoSi、RhSi等，RhSn中存在更強(qiáng)的自旋-軌道耦合效應(yīng)。由于ARPES能量分辨率的原因，自旋-軌道耦合導(dǎo)致的能帶劈裂沒有被觀測到，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀未考慮自旋-軌道耦合。中國人民大學(xué)物理系夏天龍教授和中科院物理所翁紅明研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)合作，對RhSn進(jìn)行了磁輸運(yùn)研究，觀測到了自旋-軌道耦合效應(yīng)，文章張貼于arXiv網(wǎng)站arXiv:1912.05148，并于12月10日被PRB接收。
以上工作得到了科技部、基金委、中科院、中央高?；A(chǔ)研究基金、科學(xué)挑戰(zhàn)計(jì)劃、王寬誠教育基金會、北京市自然科學(xué)基金委、北京市科委等單位的資助。
??H. Li, S. Xu, Z. C. Rao, L. Q. Zhou, Z.-J. Wang, S-M Zhou, S.-J. Tian, S.-Y. Gao, J.-J. Li, Y.-B. Huang, H.-C. Lei, H.-M. Weng, Y.-J. Sun*, T.-L. Xia*, T. Qian* and H. Ding, Nat. Commun. 123, 067203 (2019).
??https://www.nature.com/articles/s41467-019-13435-4
??doi:10.1038/s41467-019-13435-4
??S. Xu, L. Zhou, H. Wang, X.-Y. Wang, Y. Su, P. Cheng, H. M. Weng*, and T.-L. Xia*, accepted by Phys. Rev. B.
??See also https://arxiv.org/abs/1912.05148
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