合肥研究院發現新的三重簡併拓撲半金屬

2020-11-25 中國科學院

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員田明亮課題組在拓撲半金屬材料研究中取得新進展。研究人員通過對層狀結構的PtBi2在40特斯拉高磁場下的量子輸運特性測量及第一性原理能帶計算研究，發現層狀結構的PtBi2是新一類三重簡併拓撲半金屬，相關研究成果在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　拓撲半金屬材料具備奇異的磁輸運性質（如手性負磁阻、巨磁電阻）以及極高的載流子遷移率等特點，在未來低能耗電子學器件應用上具有重要價值，因而成為國際凝聚態物理研究的前沿和熱點研究方向之一。

　　據了解，以前實驗發現的拓撲半金屬材料有三種，分別為狄拉克(Dirac)半金屬、外爾(Weyl)半金屬、節線(nodal-line)半金屬，且三種材料中包含的準粒子均為四重或兩重簡併費米子，即在同一個能級態同時存在兩種或者四種半奇數自旋數。2017年，我國科研人員在國際上首次理論報導並實驗發現三重簡併費米子（該發現也被評為年度十大科學進展之一），但是目前人們僅在鎢-碳型材料WC和MoP中確認存在三重簡併費米子。因此，探索包含三重簡併費米子的拓撲半金屬材料，對探索基本粒子性質，了解電子拓撲物態，進而開發新型電子器件具有重要意義。

　　近期，田明亮課題組研究員寧偉、博士生高文帥與副研究員朱相德合作，製備了高質量的具有三角格子特徵的層狀PtBi2單晶樣品，利用穩態強磁場實驗裝置的水冷磁體（WM5，35T）和混合磁體（40T）對其磁輸運性質進行了詳細表徵研究。此外，課題組還進一步與強磁場中心研究員郝寧以及北京應用物理與計算數學研究所副研究員鄭法偉合作，利用第一性原理方法研究了層狀PtBi2的能帶結構。

　　根據實驗與理論結果，科研人員發現：層狀結構的PtBi2是新一類三重簡併拓撲半金屬，且具有兩大特點，一是相對於WC和MoP兩種材料，PtBi2的三重簡併點離費米面較近，可直接對應為新奇費米子的特性。二是層狀PtBi2易於解理，在製備器件方面具有天然優勢，這對製備小尺寸微納器件及性能的調控具有重要的應用潛力。

　　該研究成果以A possible candidate for triply degenerate point fermions in trigonal layered PtBi2 為題發表於Nature Communications 9, 3249 (2018)。該工作對促進人們認識電子拓撲物態，發現新奇物理現象，開發新型電子器件以及深入理解基本粒子性質具有重要意義。

　　該研究工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金以及合肥大科學中心等的支持。

　　文章連結

 

圖1. 層狀PtBi2單晶在40T混合磁體上測量的不同溫度下的磁電阻和量子振蕩行為。

 

圖2. 理論計算給出的6個3D 費米面和能帶色散關係，其中圖（e）清楚給出了三重簡併費米子。

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