進展|新型手性費米子研究取得進展

2020-12-28 中科院物理所

凝聚態物理中，如果包圍能帶簡併點的費米面具有非零的陳數，則該簡併點具有手性，在該費米面上的低能準粒子激發可以被看成是的手性費米子。今年初中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心與中國人民大學物理系合作，利用角分辨光電子能譜證實了在CoSi這個手性晶體中，存在新型手性的spin-1和charge-2費米子，並在(001)表面觀測到跨過整個布裡淵區的螺旋結構的拓撲表面態【Nature567, 496 (2019)】。類似的新型手性費米子在RhSi、PtAl等體系也被實驗所確認。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心EX7組丁洪研究員，孫煜傑副研究員、T03組翁紅明研究員、南京大學李紹春教授課題組和中國人民大學物理系雷和暢教授課題組多方合作，首先在超高真空中通過氬離子刻蝕和高溫退火的方法（CPB已接收），獲得了原子級平整的單晶表面（見圖1）；然後利用掃描隧道顯微鏡/掃描隧道顯微譜（STM/STS）技術對CoSi單晶的多個表面進行了表面準粒子幹涉的測量。研究中發現，CoSi的表面態僅存在於（001）和（011）的表面，而在（111）表面上並不存在表面態，完全符合理論預言的手性費米子的投影原則。在從-200 mV到+400 mV的大範圍能量區間，均可以觀測到表面態的信息。除此之外，CoSi表面態準粒子幹涉還滿足p相位的旋轉對稱性。更重要的是，隨著能量的改變，表面態在動量空間中呈現獨特的定向轉動特徵，同樣顯示出了螺旋性。這些都是手性費米子對應的費米弧表面態的典型特徵。通過高能量分辨和高空間分辨的STM測量，作者首次觀測到了費米弧表面態的自旋軌道耦合劈裂，最大處為80 mV左右，位於費米能級以上（見圖2）。這些實驗結果和理論的DFT計算非常吻合，有力地證明了CoSi中非常規手性費米準粒子及對應的費米弧表面態的存在。該工作首次利用掃描隧道顯微鏡的準粒子幹涉技術系統地表徵了CoSi費米弧表面態，並首次觀測到準粒子散射的螺旋性。相關研究成果以「Quasiparticle Interference Evidence of the Topological Fermi Arc States in Chiral Fermionic Semimetal CoSi」為題於2019年12月20日發表在SCIENCE ADVANCES上（Sci. Adv. 5 (12),eaaw9485(2019))。

在理論上，這類晶體原子排列的手性相反，會導致螺旋形拓撲表面態的手性相反。最近，中國人民大學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構手性（圖3a、3b）。使用角度分辨光發射光譜，中科院物理所EX7組丁洪、錢天和孫煜傑， T03組翁紅明和王志俊研究員等人組成的研究團隊表明RhSn的體電子結構是一致的。通過測量和計算，觀察到明顯的費米弧表面和螺旋形表面譜帶，證實了RhSn中存在手性費米子。值得注意的是，RhSn和CoSi的螺旋性表面帶具有相反的手性，這意味著在具有相反結構手性的晶體中，手性費米子是相反的（圖4）。這個發現證實了動量空間中的手性費米子與實際空間中的手性晶格之間建立了直接聯繫。該研究成果以「Chiral fermion reversal in chiral crystals」為題12月3日在線發表於《Nature Communications》，並被編輯推薦為亮點文章（Editors』 highlights）。

以上工作得到了科技部、基金委、中科院、中央高校基礎研究基金、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心的支持，南京大學雙一流建設、科學挑戰計劃、王寬誠教育基金會、北京市自然科學基金委、北京市科委等單位的資助。

相關工作連結：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1056/ab6586

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13435-4

https://advances.sciencemag.org/content/5/12/eaaw9485

圖1.不同終止面的CoSi單晶的準粒子幹涉圖案。（A,D,G）CoSi單晶的(001)、(011)和(111)面的原子分辨的STM圖；（B,E,H）實驗獲得的準粒子幹涉圖案；（C,F,I）DFT計算的準粒子幹涉圖案。

圖2. 手性費米弧表面態的能量色散關係。（A）實驗獲得的001面的準粒子幹涉圖案（E = -10 meV）；（B）表面態沿著A中黑色環線所切的能量E與散射波矢q的色散關係；（C）與（B）對應的計算模擬結果；（D-G）沿著A中切線1到4所切得的E和q的色散關係

圖3. 單晶XRD測量和理論計算表明CoSi和RhSn之間有相反手性的晶格和費米子

圖4. ARPES測量顯示CoSi和RhSn的螺旋型表面態能帶具有相反的手性

編輯：Kun

1. 2. 3. 4. 5.

7. 8. 9. 10.

相關焦點

  • 費米子負符號問題研究取得進展
    費米子負符號問題是量子蒙特卡羅模擬遇到的一個最困難的問題，也是多體量子理論研究的一個基本問題。
  • 進展|外爾費米子與鐵磁自旋波共舞
    外爾半金屬的費米面有且僅有孤立的能帶交叉點構成，因而其低能激發的準粒子可以用描述外爾費米子的外爾方程來刻畫，具有外爾費米子的零質量、確定手性等特徵。雖然自由粒子形式的外爾費米子至今未能被實驗確認，但在外爾半金屬中卻能夠實現外爾費米子形式的準粒子，這為研究外爾費米子的行為提供了新的途徑。固體中的外爾費米子準粒子還具有不同於真空中真實粒子的獨特物理性質和新奇現象，譬如費米弧和手性反常導致的磁阻效應、內稟反常霍爾效應、三維量子霍爾效應等。因此，首個非磁性外爾半金屬TaAs家族材料的發現具有重要科學意義，極大地推動了外爾半金屬的研究進展。
  • 理論預言並實驗發現固體中的無質量費米子態丨物理所入選「率先...
    理論預言，由於外爾費米子態的存在，外爾半金屬會呈現出諸多新奇的物理現象，比如在體能帶結構中成對出現，具有相反手性的外爾錐；在晶體表面上有連接兩個外爾點表面投影的開放的費米面，即費米弧。此外，由於不同手性外爾費米子互相分離，會導致奇特的手性反常效應。所謂手性反常，是指材料中具有某種確定手性的電子的數量在某些條件下不守恆。
  • 宇宙空域中的弱磁場:與螺旋磁場中費米子的手性相關
    但是到目前為止，關於這個假設，關於左手和右手費米子數的演變如何疊加的問題，還沒有進行詳細的分析。現在，歐洲研究人員的合作報告對這種手性失衡進行了更為嚴格的分析，並得出了令人驚訝的結果。
  • 二維層狀超導體二硒化鈮的非互易天線研究取得了重要進展
    打開APP 二維層狀超導體二硒化鈮的非互易天線研究取得了重要進展 微波射頻網 發表於 2020-12-02 14:06:30
  • 蘭州大學賈成龍教授團隊在磁渦旋研究中取得重要進展
    蘭州大學賈成龍教授團隊在磁渦旋研究中取得重要進展 2020-06-05 10:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 復旦大學物理學系修發賢課題組在二維超導天線的研究中取得重要進展
    近日，復旦大學物理學系教授修發賢在二維層狀超導體二硒化鈮的非互易天線研究中取得重要進展。11月6日，相關研究成果以《基於二硒化鈮的超導非互易天線》（Nonreciprocal Superconducting NbSe2 Antenna）為題在線發表於期刊《自然·通訊》（Nature Communications 11,5634(2020)）。
  • 瓦爾登(Walden)翻轉取代反應機理研究取得新進展—新聞—科學網
    瓦爾登（Walden）翻轉取代反應機理研究取得新進展         瓦爾登（Walden）翻轉取代反應機理研究取得新進展   記者劉萬生 通訊員劉舒 張兆軍　近日，中科院大連化物所分子反應動力學國家重點實驗室張東輝研究員、劉舒副研究員團隊在瓦爾登（Walden）翻轉取代反應機理研究上取得新進展，首次對一個通過瓦爾登翻轉機理實現的取代反應進行了精確的理論研究
  • 上海矽酸鹽所在新型高比能液流電池研究中取得進展
    近期，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員劉宇和副研究員遲曉偉帶領的科研團隊，提出酸鹼隔離電解液和雙溶解/沉積型電極反應思路，構造出一類具有高能量密度(1503 Wh kg-1，基於正極活性材料)的新型水系電池。
  • 【安徽科技報】中科大飛秒雷射結合自組裝複合加工技術取得新進展
    【安徽科技報】中科大飛秒雷射結合自組裝複合加工技術取得新進展 實現手性可控三維微結構和三維金屬納米間隙結構的靈活製備
  • 上海有機所在催化不對稱共軛膦氫化研究中取得進展
    中國科學院上海有機化學研究所天然產物有機合成化學重點實驗室研究員殷亮課題組致力於研究銅催化的不對稱反應。在前期研究中，研究人員發現，二芳基膦氫在銅催化劑（一價銅-雙膦絡合物）和有機鹼的作用下，生成銅-二芳基膦物種，該物種被用於對α,β-不飽和硫代膦的共軛親核加成反應，以高立體選擇性構建了系列手性1,2-雙膦衍生物（Angew. Chem. Int.
  • 科學家們在癌症轉移研究領域取得的新進展!
    本文中，小編整理了多篇重要研究成果，共同聚焦科學家們在癌症轉移研究領域取得的新進展，分享給大家！每兩名男性或每三名女性中就有一人會在其一生中被診斷為癌症，但幸運的是，如今科學家們在多種癌症的治療上已經取得了重大進展，尤其是當癌症局限在一個小區域中時，研究者就能通過手術切除或化療等手段來移除病灶。在某些患者中，腫瘤細胞會脫離原發性病灶並且入侵機體其它區域，這就是所謂的癌症轉移，其會誘發患者機體廣泛的損傷並讓療法治療變得很困難，實際上，90%的癌症死亡都與癌症轉移直接相關。
  • 2017年中國十大科技進展新聞揭曉,轟動一時的量子通信、C919在列嗎?
    以合成型釀酒酵母染色體為研究對象，可以加快在基因組重排、環形染色體進化領域的研究進度，為人類環形染色體疾病、癌症和衰老等提供研究與治療模型。本次試採作業區位於珠海市東南320千米的神狐海域。試採取得了持續產氣時間最長、產氣總量最大、氣流穩定、環境安全等多項重大突破性成果，創造了產氣時長和總量的世界紀錄。截至7月9日14時52分，我國天然氣水合物試開採連續試氣點火60天，累計產氣30.9萬立方米，平均日產5151立方米，甲烷含量最高達99.5%。獲取科學試驗數據647萬組，為後續的科學研究積累了大量的翔實可靠的數據資料。
  • 聚合物基固態電池研究取得新進展
    新華網瀋陽9月25日電（記者王瑩）近期，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部新型電化學材料與器件團隊在聚環氧乙烷基高性能電解質和固態電池方向取得進展，明顯提高了全固態聚合物鋰電池循環使用次數和穩定性，並實現在室溫和低溫下的優異電化學性能。
  • 構建軸手性鄰位四取代聯芳基結構研究取得進展
    最近，中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室湯文軍課題組通過發展新型的手性配體和設計新的反應模式，成功發展了用於高效合成軸手性鄰位四取代聯芳基結構的不對稱Suzuki-Miyaura偶聯反應（圖1）。基於此方法，研究團隊合成了一系列軸手性鄰位四取代聯苯基和聯萘基結構，同時實現了手性棉酚的高效不對稱合成。
  • 長春應化所吲哚類天然產物全合成研究獲進展
    此外，分子中含有包括橋頭手性季碳在內的多個手性中心，且受C20位絕對構型的影響，Dippinine類分子（2–6）中的全碳六元環為椅式構象，而Chippiine分子（8–10）中的六元環為船式構象。活性方面，該類天然產物對逆轉腫瘤細胞的耐藥性，具有潛在的良好活性。
  • 上海矽酸鹽所在新型鐵電陶瓷研究方面取得進展
    上海矽酸鹽所在新型鐵電陶瓷研究方面取得進展 2020-05-26 上海矽酸鹽研究所 【字體：但是，隨著新技術對高性能鐵電材料需求的增加和環境友好型社會的發展，探索新型無鉛鐵電材料體系變得越來越迫切。
  • 我國科學家在鋼結構多層建築抗震性能研究領域取得進展
    新華社重慶6月9日電（記者柯高陽）記者從重慶大學了解到，我國科學家日前在鋼結構多層建築抗震性能研究領域取得進展。研究人員通過足尺6層鋼結構房屋振動臺試驗，驗證了兩類新型剪力牆的抗震防災性能。重慶大學研究團隊設計製作的6層鋼結構房屋為冷彎薄壁型，鋼柱、鋼梁的厚度分別僅有1.2毫米和1.8毫米。房屋總高達16.2米，採用了鋼管端柱—雙面蒙皮鋼板剪力牆和夾支單層薄鋼板剪力牆兩種抗側力體系，結構通過型鋼梁底座與振動臺的臺面相連。「由於抗震、防火性能等方面的技術限制，目前的鋼結構住宅多為3層以下的低層建築。」
  • 進展|黑磷中的黑洞:費米子的高溫霍金輻射
    與此不同的是，固體裡存有大量電子、準電子等費米子，由於這些基本費米子間的靜電力強於引力很多數量級，由狄拉克半金屬模擬的費米性黑洞應具有較高的霍金溫度。但是，因缺乏可控的狄拉克費米子體系，此類費米子的霍金輻射的物理機制和真實材料的實現是大家普遍關注的重點，但一直未被解決。