中國(guó)人民大學(xué)物理系雷和暢課題組與中科院物理所丁洪課題組合作在Nature發(fā)文——實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到新型手性費(fèi)米子
手性是指一個(gè)物體與其鏡像不能重合，它在自然界中廣泛存在。在相對(duì)論物理中，手性是指無(wú)質(zhì)量粒子的自旋和動(dòng)量方向平行或者反平行。外爾費(fèi)米子就是一種具有手性的粒子，描述它的哈密頓量 Hk=σ?k，其中 σ 和 k 分別代表自旋和動(dòng)量。在拓?fù)淅碚撝?，固體中手性費(fèi)米子的能帶簡(jiǎn)并點(diǎn)必須攜帶非零的陳數(shù)，如外爾點(diǎn)的陳數(shù)C = ±1，它們?cè)诒砻嫔系耐队氨宦菪Y(jié)構(gòu)的表面態(tài)環(huán)繞，其等能面就是費(fèi)米弧連接陳數(shù)符號(hào)相反的簡(jiǎn)并點(diǎn)的表面投影。
在固體中已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了三種類型的能帶簡(jiǎn)并點(diǎn)，分別是二重簡(jiǎn)并的外爾點(diǎn)、四重簡(jiǎn)并的狄拉克點(diǎn)和三重簡(jiǎn)并點(diǎn)。狄拉克點(diǎn)陳數(shù)為零，三重簡(jiǎn)并點(diǎn)陳數(shù)無(wú)法定義，所以狄拉克費(fèi)米子和三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子都沒(méi)有手性。但可以通過(guò)破缺對(duì)稱性，比如外加磁場(chǎng)，將它們退簡(jiǎn)并成手性的外爾費(fèi)米子。狄拉克半金屬和三重簡(jiǎn)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，本質(zhì)上都是來(lái)源于手性的外爾費(fèi)米子。
發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子之外的新型手性費(fèi)米子不僅是拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域上的突破，也可以為探索手性費(fèi)米子相關(guān)的物理現(xiàn)象提供更多的途徑，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，理論上已經(jīng)預(yù)言了多種類型的手性費(fèi)米子以及相關(guān)的材料，但一直未能得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。在眾多關(guān)于新型手性費(fèi)米子的理論預(yù)言中，CoSi屬于能帶結(jié)構(gòu)比較理想的材料，引起了國(guó)際上許多研究組的關(guān)注。能帶計(jì)算顯示在不考慮自旋－軌道耦合的情況下，在CoSi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(jiǎn)并點(diǎn)（圖1b）。與之前實(shí)驗(yàn)證實(shí)的MoP/WC中的三重簡(jiǎn)并點(diǎn)和四重簡(jiǎn)并的狄拉克點(diǎn)不同的是，它們攜帶非零陳數(shù)C = ±2，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（圖1c）。
CoSi是典型的三維材料，通常的解理方法難以得到原子級(jí)平整的表面。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心與中國(guó)人民大學(xué)物理系合作，利用拋光－轟擊－退火的方法，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的不斷摸索，終于在CoSi單晶樣品上得到原子級(jí)平整的表面，并在上海光源“夢(mèng)之線”觀測(cè)到清晰的體態(tài)和表面態(tài)能帶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在體布里淵區(qū)的中心G和角落R點(diǎn)存在體態(tài)能帶簡(jiǎn)并點(diǎn)，與理論計(jì)算結(jié)果高度吻合（圖1d-f）。它們?cè)冢?01）表面的投影被超長(zhǎng)的表面態(tài)費(fèi)米弧連接（圖2a,b），并且在環(huán)繞投影的閉合路徑上存在兩條手性的表面態(tài)能帶（圖2c），標(biāo)志著這兩個(gè)能帶簡(jiǎn)并點(diǎn)攜帶非零的陳數(shù)C = ±2，這是CoSi中存在新型手性費(fèi)米子的確定證據(jù)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅證明了新型手性費(fèi)米子的存在，而且提供了一個(gè)較為理想的平臺(tái)去探索由手性費(fèi)米子引起的新奇物理現(xiàn)象。
這個(gè)工作是在物理所EX7組丁洪研究員、錢天研究員和孫煜杰副研究員領(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(guó)人民大學(xué)物理系博士生田尚杰、碩士生李承賀和雷和暢副教授、物理所EX1組博士生王樂(lè)和石友國(guó)研究員、物理所N08組博士后李治林提供了高質(zhì)量的CoSi單晶樣品；物理所EX7組博士生饒志成、博士生唐岑瑤和孫煜杰副研究員用拋光－轟擊－退火的方法處理出原子級(jí)平整的表面，在樣品定向過(guò)程中得到了物理所EX6組博士生劉哲宏和龍有文研究員的幫助；物理所T03組博士生張?zhí)锾锖臀碳t明研究員進(jìn)行了能帶計(jì)算，方辰研究員和翁紅明研究員提供了理論指導(dǎo)；物理所EX7組博士生饒志成、博士生李航、博士生付彬彬和錢天研究員在上海光源“夢(mèng)之線”進(jìn)行了ARPES實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到了上海光源黃耀波研究員的全力支持。
該論文于2019年3月20日在Nature上在線發(fā)表。該工作得到了科技部（2016YFA0401000，2015CB921000，2016YFA0300600，2016YFA0300504，2016YFA0302400，2018YFA0305700，2017YFA0302901），國(guó)家自然科學(xué)基金委（11622435，U1832202，11474340，11822412，11574371，11674369，11574394，11774423，11774399），中國(guó)科學(xué)院（QYZDB-SSW-SLH04，XDB07000000，XDPB08-1），科學(xué)挑戰(zhàn)計(jì)劃（TZ2016004），王寬誠(chéng)教育基金會(huì)（GJTD-2018-01），北京市自然科學(xué)基金委（Z180008），北京市科委（Z171100002017018，Z181100004218005，Z181100004218001）的資助。
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圖1. CoSi的體態(tài)電子結(jié)構(gòu)。（a）體態(tài)布里淵區(qū)和（001）表面布里淵區(qū)。（b）第一性原理計(jì)算的沿著高對(duì)稱方向上體態(tài)能帶結(jié)構(gòu)。（c）外爾費(fèi)米子、狄拉克費(fèi)米子、spin-1費(fèi)米子、charge-2費(fèi)米子的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。（d-f）沿G-R、R-X、G-M方向測(cè)量的體態(tài)能帶色散，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在體態(tài)靈敏的軟X射線下采集的，紅色曲線是理論計(jì)算結(jié)果。
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圖2. CoSi的（001）表面態(tài)。（a）在（001）表面上實(shí)驗(yàn)測(cè)量的表面態(tài)的費(fèi)米面，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在表面態(tài)靈敏的極紫外光下采集的。（b）從費(fèi)米面數(shù)據(jù)中提取出的表面態(tài)費(fèi)米弧。（c,d）在圍繞體態(tài)能帶簡(jiǎn)并點(diǎn)的表面投影的閉合路徑loop #1和loop #2上的能帶色散。（e）陳數(shù)符號(hào)相反的體態(tài)能帶簡(jiǎn)并點(diǎn)在表面上的投影被手性相反的表面態(tài)環(huán)繞，這樣的表面態(tài)的等能面就是拓?fù)浞€(wěn)定的費(fèi)米弧連接它們的投影。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1031-8
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