實驗證實非簡單空間群拓撲絕緣體中的沙漏費米子 | 進展

2021-01-21 中科院物理所

「拓撲」是數學中的一個概念，近年來被廣泛應用於物理領域。隨著拓撲能帶理論研究的不斷深入，湧現出形形色色的對稱性保護的拓撲量子物態，如拓撲絕緣體、拓撲半金屬、拓撲超導等等。這些拓撲態的一個重要特徵就是存在拓撲性保護的表面電子態，如強拓撲絕緣體中的狄拉克錐型色散的表面態、拓撲外爾半金屬中的非閉合費米弧表面態等等。人們利用角分辨光電子能譜（ARPES）已經從實驗上證實了兩類拓撲絕緣體，即時間反演對稱保護的強拓撲絕緣體和鏡面對稱保護的拓撲晶體絕緣體。它們的表面態電子結構都具有狄拉克錐形的能帶色散，表面態低能激發的準粒子是無質量的二維狄拉克費米子。

圖一：（A）和（B）分別為具有簡單空間對稱性的拓撲平庸和非平庸絕緣體表面態能帶示意圖。（C）和（D）分別為具有非簡單空間對稱性的拓撲平庸和非平庸絕緣體表面態能帶示意圖。

2016年初，普林斯頓大學的王志俊博士和Bernevig教授及合作者從理論上提出了一類新的拓撲絕緣體。與之前的研究結果不同，這類拓撲絕緣體具有非簡單(nonsymmorphic)的空間群，即存在滑移軸或（和）滑移面。在某些表面上，它的拓撲表面態電子結構具有類似沙漏形式的能帶色散。表面態低能激發的準粒子被命名為「沙漏費米子」，以區別於其它拓撲絕緣體中的狄拉克費米子（圖1）。他們還同時預言了首個非點群拓撲絕緣體KHgX(X=As,Sb,Bi)系列。

中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家實驗室（籌）EX7組丁洪研究員和錢天副研究員指導博士生馬均章和呂佰晴，在上海光源「夢之線」ARPES實驗站對非簡單空間群拓撲絕緣體KHgSb的電子結構進行了細緻的測量，觀測到沙漏型色散的表面態，提供了沙漏費米子的實驗證據。物理所EX1組石友國研究員和博士生伊長江提供了高質量的KHgSb單晶樣品，普林斯頓大學王志俊博士和物理所T04組博士生聶思敏和翁紅明研究員進行了能帶計算。

圖二：（A）KHgSb晶體結構示意圖，黃色的面代表滑移面。（B）體態以及不同表面投影的布裡淵區示意圖。（C）ARPES實驗測量的（001）面能帶色散。（D）從ARPES實驗結果提取的（010）面表面態電子結構。（E）理論計算的（001）面能帶投影。（F）理論計算的（010）面能帶投影，方向具有沙漏型的表面態能帶。

KHgSb具有非簡單空間群的晶體結構，存在滑移軸和滑移面（圖2A）。理論計算表明，滑移面保護（010）表面布裡淵區方向具有沙漏型的表面態能帶（圖2F），而在（001）表面體態能隙中不存在任何表面態（圖2E）。丁洪課題組在上海光源「夢之線」上用ARPES分別測量了KHgSb不同解理面的電子結構。在（001）面清晰地觀測到體態能帶，揭示了體態能隙中沒有表面態（圖2C）。在（010）面體態能隙中觀測到了表面態。通過測量（010）表面布裡淵區不同方向表面態的能帶色散，總結出（010）表面態電子結構（圖2D），與計算結果高度吻合，提供了非簡單空間群拓撲絕緣體存在沙漏費米子的首個實驗證據。

這一研究成果5月5日在線發表在【Science Advances 3, e1602415 (2017)】上。物理所石友國、錢天和丁洪為該文共同通訊作者，物理所博士生馬均章、伊長江、呂佰晴和普林斯頓大學王志俊博士為該文共同第一作者。該工作得到了科技部「國家重大科學研究計劃」和「國家重點研發計劃」（2016YFA0300600、2016YFA0401000、2015CB921300、2013CB921700）、國家自然科學基金委（11622435、11474340、11422428、11274367、11474330、11504117、11234014、11274362、11674371）和中國科學院先導B項目的支持。

論文連結：http://advances.sciencemag.org/content/3/5/e1602415

編輯：J.C


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