進展|新型手性費米子研究取得進展

2021-01-09 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

  • 中國科學家觀測到新型手性費米子
    （觀察者網訊）觀察者網4月8日從中科院物理所網站獲悉，中科院物理所EX7組丁洪研究員、錢天研究員和孫煜傑副研究員與其他合作者共同發現三維材料CoSi中存在新型手性費米子的確定證據。該實驗結果證明了新型手性費米子的存在，為探索由手性費米子引起的新奇物理現象提供了一個較為理想的平臺。相關研究成果於3月20日發表在《自然》上。
  • 我國科學家觀測到新型手性費米子
    手性是指一個物體與其鏡像不能重合的現象，就像我們的左手和右手。在量子場論中，無質量粒子的手性就是由其自旋與動量方向平行或者反平行來定義的。外爾費米子就是一種具有手性的無質量粒子，自90年前由理論提出以來，雖然作為基本粒子至今沒有得到證實，但作為準粒子在凝聚態材料中於2015年發現了存在的證據。因此，在凝聚態材料中尋找新型手性費米子成為了研究的熱點。
  • 中國科學家發現新型手性費米子—新聞—科學網
    CoSi中存在新型手性費米子的確定證據。該實驗結果證明了新型手性費米子的存在，為探索由手性費米子引起的新奇物理現象提供了一個較為理想的平臺。相關研究成果於3月20日發表在《自然》上。 手性是指一個物體與其鏡像不能重合的現象，比如我們的雙手，左右與右手不能重合。手性現象在自然界中廣泛存在，在物理學中表示一種重要的「對稱性」。
  • 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。
  • 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。
  • 中國科大新型手性無機納米材料的研製取得新進展
    手性材料在推動生物標記、手性分析和檢測、對映異構體選擇性分離、偏振相關光子學和光電子學應用等領域的發展具有重要意義。目前，傳統手性納米材料主要是通過引入手性配體或構造螺旋結構等電偶極矩調控方式構築，但這類手性材料在環境穩定性和導電性方面通常存在局限性，極大地限制了其實際應用。探索新的調控機制並構築新型手性納米功能材料是突破這一科學瓶頸的新途徑。
  • 物理所等在實驗中觀測到新型手性費米子
    發現外爾費米子之外的新型手性費米子不僅是拓撲半金屬領域上的突破，也可以為探索手性費米子相關的物理現象提供更多的途徑，具有重要的科學意義和應用價值。近年來，理論上已經預言了多種類型的手性費米子以及相關的材料，但一直未能得到實驗證實。在眾多關於新型手性費米子的理論預言中，CoSi屬於能帶結構比較理想的材料，引起了國際上許多研究組的關注。
  • 中美團隊新型手性無機納米材料研製取得新進展—新聞—科學網
    中新網合肥2月22日電 (記者 吳蘭)記者22日從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏院士團隊與國家納米科學中心唐智勇研究員課題組、多倫多大學EdwardSargent教授團隊開展多方合作，在新型手性無機納米材料合成研究中取得突破性進展
  • 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「率先行動」第一階段成果進展
    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。
  • 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「率先行動」第一階段成果進展
    1929年德國科學家外爾Weyl提出——存在一種無「質量」的可以分為左旋和右旋兩種不同「手性」的電子，這種電子被稱為「外爾費米子」。但是歷經80多年，科學家們一直沒有能夠找到外爾費米子存在的證據。但是近十多年來，拓撲絕緣體，尤其是拓撲半金屬等新奇量子態研究的快速發展為在凝聚態體系中實現和觀測外爾費米子的準粒子提供了新的思路。其中備受矚目的就是找到真實的外爾半金屬材料。
  • 外爾費米子與鐵磁自旋波共舞研究獲進展
    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途徑。
  • 外爾費米子與鐵磁自旋波共舞研究獲進展
    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途徑。
  • 湘潭大學在超分子手性反轉研究方面取得突破性進展
    近日，湘潭大學化學學院青年教師葉強博士課題組與國內外課題研究組合作，在單手性分子超分子手性的調控研究方面取得突破性進展。其研究成果發表於《化學科學》（chemical science），題目為「手性聚集態誘導發光螢光分子中的溶劑極性驅動手性反轉和圓偏振發光」（Solvent Polarity Driven Helicity Inversion and Circularly Polarized Luminescence
  • 進展| 格點規範場與費米子物質場耦合問題取得進展
    目前為止還沒有找到這樣的可靠方法，這就是為什麼近十幾年來，該研究方向鮮有進展的原因。幾年以來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心凝聚態理論與材料計算實驗室孟子楊研究員與合作者，包括香港科技大學許霄琰博士（物理所2017年博士畢業生），復旦大學戚揚副教授，密西根大學孫鍇教授，維爾茲堡大學 Fakher Assaad 教授等人運用行列式量子蒙特卡洛研究費米子-玻色子耦合格點模型，不斷改進數值計算方法和條件，取得了系列性成果。
  • 中科院大連化物所手性催化研究獲進展
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室分子催化與原位表徵研究組李燦、劉龑團隊在手性催化研究方面取得新進展，完成了高反應活性和對映選擇性底物控制的基於鄰位亞甲基醌（o-QMs）中間體的動態動力學拆分和
  • 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...
    實驗發現外爾費米子1929年德國科學家外爾Weyl提出——存在一種無「質量」的可以分為左旋和右旋兩種不同「手性」的電子，這種電子被稱為「外爾費米子」。但是歷經80多年，科學家們一直沒有能夠找到外爾費米子存在的證據。但是近十多年來，拓撲絕緣體，尤其是拓撲半金屬等新奇量子態研究的快速發展為在凝聚態體系中實現和觀測外爾費米子的準粒子提供了新的思路。
  • 二維手性籠目網格結構研究獲新進展
    二維手性籠目網格結構研究獲新進展
  • 同濟大學車順愛課題組在手性分子檢測方面取得重要進展
    同濟大學車順愛課題組在手性分子檢測方面取得重要進展 來源：化學科學與工程學院   時間：2020-05-29  瀏覽：
  • 上海有機所手性核磁共振「色譜」技術研究獲進展
    手性分子廣泛應用於醫藥、材料及生命等領域，快速確定手性樣品的組成對手性相關科學的發展十分重要。目前，常用的手性色譜分析技術基於分離，相對耗時，難於滿足高通量手性分析的需求。基於光譜方法（如圓二色光譜）可以避免分離，實現原位快速分析，但分析準確性易受微量雜質的幹擾。
  • 物理學院廖志敏課題組在拓撲量子輸運方向取得系列進展
    拓撲量子輸運是研究新穎量子物態的重要手段近期，北京大學物理學院廖志敏課題組在低維拓撲材料電子輸運與器件效應研究的前沿領域取得了系列重要進展。廖志敏課題組率先實驗發現了狄拉克半金屬Cd3As2中外爾費米子手性反常導致的負磁電阻效應【Nature Commun.