拓撲超導體與拓撲半金屬研究獲進展

圖1，NaCoO2的表面模型

 

圖2，5-層 NaCoO2的自旋極化能帶圖，自旋向下為絕緣態，只有自旋向上的費米面，其自旋構型與拓撲絕緣體表面態相似。

圖3，在HgCr2Se4側表面上形成的「費米弧」

圖4， HgCr2Se4中霍爾電導隨量子阱厚度d的臺階式跳變

 

近年來，作為一種新的量子物態，拓撲絕緣體因其豐富奇特的電子特性以及在未來電子技術中的應用前景，在世界範圍內取得了快速發展，並成為凝聚態物理研究中的一個熱點領域。在尋找具有更高應用價值的強拓撲絕緣體材料的同時，許多新的拓撲物性被預言和發現，如磁單極、拓撲超導態、Majorana費米子和量子化的反常霍爾效應等。其中，尤以Majorana費米子和量子反常霍爾效應因其奇特的量子特性和應用價值而備受關注。

 

1937年，義大利物理學家Ettore Majorana提出一組滿足Dirac方程的實數解，與描述電子的複數解不同，這組實數解描述了一個具有電中性，且該粒子的反粒子就是其自身的全新粒子，後來被人們稱為Majorana費米子。理論研究發現，Majorana費米子滿足非阿貝爾統計規律，即操作粒子的結果與操作的先後順序有關，這為設計新概念的拓撲量子計算機提供了重要途徑。因而，尋找Majorana費米子既有重要的基礎理論意義，也有巨大的潛在應用價值。

 

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室的方忠研究組及其合作者，在該研究方向上取得重要進展，從理論上預言NaCoO2的表面態具有半金屬性，在其與傳統s波超導體的界面上可以誘導出拓撲超導態。NaxCoO2是層狀結構材料［圖1］，當x大於0.5而小於1.0時，CoO2層具有鐵磁序而相鄰層反鐵磁排列；x=1.0時，NaCoO2是簡單的能帶絕緣體。翁紅明、徐剛等人巧妙地利用這一特點，提出如果保持體內Na的濃度x=1.0，而部分或全部除去最外層的Na［圖1］，通過理論計算發現，表面的CoO2層具有穩定的鐵磁半金屬性，而且只有單個自旋極化的費米面［圖2］。由於Rashba型自旋軌道耦合效應，其費米面具有與拓撲絕緣體表面態費米面類似的自旋構型［圖2］，因而可以用來實現p+ip型的拓撲超導態，並進而可能在其中找到Majorana費米子態。本工作以Rapid Communicaton形式發表在Phys. Rev. B 84, 060408 (2011)，並被選為編輯推薦的文章。

 

最近，徐剛、翁紅明等人又將凝聚態中電子態通過拓撲分類的概念從絕緣體推廣到了半金屬。他們通過計算發現了一種特殊的拓撲半金屬態材料——HgCr2Se4。HgCr2Se4具有典型的尖晶石結構，它的低能電子結構可以很好地用我們熟悉的重空穴、輕空穴和具有S軌道特性的導帶來描寫。在低溫下，Cr離子的磁矩形成很強的鐵磁態，費米面附近的能帶感受到很強的塞曼劈裂，這導致了自旋向下能帶反轉而自旋向上的能帶維持正常的結構。所以在HgCr2Se4材料中，只有自旋取向跟磁化方向一致的那一半能帶形成了反帶結構，從而導致所謂的既是單自旋金屬（暫譯，half－metal）又是半金屬（semi－metal）的極為特殊的電子結構。在這種特殊的電子結構下，體系的能帶在沿Z軸的兩個互為反演的點上交叉，形成所謂的「Weyl」費米子的特殊結構，「Weyl」費米子是狄拉克費米子的一半，在空間維度是三維的情況下，任何保持平移對稱的微擾項都不能使得能隙打開，而只能使交叉點在k空間內移動。因此，這樣的「Weyl」費米子體系是拓撲穩定的。

 

徐剛等人在文章中進一步對該體系的拓撲結構進行了分析，指出這類「Weyl」費米子體系可以通過研究有效Chern數隨著z方向動量演化來很好地刻畫。「Weyl」費米子的一個重要的物理後果是在其側表面上形成所謂的「費米弧」（見圖 3），即不連續的費米面結構。這完全是其特殊的能帶拓撲結構所導致的。同時，徐剛等人進一步預言，如果把HgCr2Se4材料製成有限厚度的量子阱，可以實現量子化的反常Hall效應（圖 4）。該文章在Phys. Rev. Lett.發表以後，引起了編輯部的濃厚興趣，他們專門約稿在Physics雜誌上同步刊登了介紹文章，向讀者重點推薦該工作，同時該文也被PRL編輯部評為當期的編輯推薦文章。

 

以上工作得到了中國科學院、國家自然科學基金委、科技部國家重點基礎研究發展計劃、重大科學研究計劃和國際科技合作計劃的支持。（來源：中科院物理研究所）

 

 

 

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