北理工物理學院在第二類外爾半金屬領域取得重要研究進展
發布日期：2016-08-31 供稿：物理學院
編輯：周格羽 審核：姜艷 閱讀次數： 最近，北京理工大學物理學院量子功能材料設計與應用實驗室姚裕貴教授研究組（余智明博士后、姚裕貴教授）和新加坡科技設計大學的楊聲遠教授合作研究了第二類外爾半金屬在磁場下的新奇物性。相關研究成果發表在近期的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett.117, 077202 (2016)]。該工作得到了國家自然科學基金委和科技部的資助。
在實驗室中模擬和研究基本粒子（如狄拉克費米子、外爾費米子）的行為是當前凝聚態物理中最為令人振奮的研究領域之一。更為吸引人的是，由于電子在凝聚態物理領域中和基本粒子在高能物理領域中所遵循的物理規范可有所不同，所以凝聚態物理中還能呈現出高能物理中所不存在的有效費米子，如最近提出的第二類外爾(狄拉克)費米子等諸多新型費米子。一般而言，動量空間中外爾費米子的色散是可以沿某一動量方向傾斜的。當傾斜足夠強的時候，外爾錐將會翻倒而使得體系的費米面從一個點變為一條線或一個面。此種情況下的外爾費米子被稱為第二類外爾費米子，以區分于傳統的第一類外爾費米子。盡管外爾費米子的手性并不受能帶傾斜的影響，但在凝聚態物理中諸多物理行為都與體系費米面的幾何形貌息息相關，所以第二類外爾費米子具有迥異于傳統外爾費米子和其它材料的新奇物性。
磁場下，電子的運動將會量子化而形成朗道能級，如體系是三維的，則朗道能級在沿著磁場方向是有色散的。研究發現，在第二類外爾半金屬中，能量傾斜會使得體系的朗道能級間距變小，特別是當磁場指向偏移能量傾斜方向為某個臨界角度時，朗道能級的間距為零，也即導致所謂的朗道能級坍塌現象(collapse of Landau levels)。基于半經典的物理圖像，他們還指出了此坍塌現象對應于電子在磁場中的回旋運動軌道由閉合變為開放，表明此時有效外爾模型已不足以描述電子的行為。在朗道能級坍塌之前，第二類外爾點的朗道能級的磁光電導亦表現出與傳統外爾材料的迥異行為：如具有各向異性的磁光電導，低頻下一直存在帶間躍遷，且隨頻率增加，光學吸收譜具有獨特的形狀等。這些發現皆有助于指導實驗發現第二類外爾費米子材料和確定體系參數。
圖1：(a)朗道能級壓縮因子隨能量傾斜與磁場夾角的變化行為。(上)：傳統外爾點，(下)：第二類外爾點，其中紅線表示出現朗道能級坍塌的臨界角。(b)磁場下電子的半經典軌道隨磁場方向變化的演化行為。軌道由封閉變為開放對應于體系從具有良好定義的朗道能級到朗道能級的坍塌（外爾模型下的描述）。
圖2：（a）第二類外爾點和（c）傳統外爾點在能量傾斜方向與磁場平行的情況下的朗道能級。（b）和（d）與（a）和（c）類似，但此時能量傾斜方向與磁場反平行。（e）外爾點的縱向磁光電導，其中紅線對應于（a）中的第二類外爾點，藍線對應于（c）中的傳統外爾點。（f）與（e）類似，但分別對應的是（b）和（d）中外爾點的行為。
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