進展|Z2非平庸節線半金屬和高階拓撲絕緣體研究取得重要進展

2020-12-05 中科院物理所

拓撲材料的發現對新的拓撲態和新奇物性的研究具有重要的意義。不久前，通過拓撲量子化學[1]，對稱性指標[2,3]等手段對無機晶體材料做了地毯式的搜索和分類，可以通過開源程序(https://github.com/zjwang11/irvsp)判別任何非磁晶體材料的拓撲性質(www.cryst.ehu.es/cryst/checktopologicalmat)[4]。高階拓撲絕緣體(higher-order topological insulators) 在這次搜索中也無處遁形。人們定義: 一階拓撲絕緣體具有絕緣的d維體態，但有(d-1)維拓撲保護的金屬表面態; 二階拓撲絕緣體具有絕緣的d維體態和（d-1）維表面態，但有（d-2）維拓撲保護的金屬稜態；以此類推。所以常規的三維拓撲絕緣體，又可以被稱為三維的一階拓撲絕緣體。物理系統中的對稱性一直可以大大的簡化我們的研究，比如三維（一階）拓撲絕緣體在有中心反演的情況下，其Fu-Kane Z2拓撲指標可以簡化為所有佔據態八個時間反演不變點奇宇稱能帶的對數的總和，再對二取餘。這樣我們就知道，對於有中心反演的體系，不同宇稱的能帶在時間反演不變點發生一次能帶反轉（band inversion，簡稱「反帶」），就可以得到拓撲節線半金屬（不考慮自旋軌道耦合SOC）和拓撲絕緣體（考慮SOC）。如果同樣的反帶發生兩次(double band inversion)，如圖一所示，雖然它對應的Fu-Kane Z2拓撲指標都是零， 但是拓撲量子化學以及後來發展的等價的對稱性指標都顯示它是拓撲非平庸的。

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王志俊特聘研究員，與美國普林斯頓大學的博士後Benjamin J. Wieder和B. Andrei Bernevig教授等人合作，通過第一性原理計算，發現β相的過渡金屬碲化物MoTe2就處在這個非平庸相，它又稱為三維的二階拓撲絕緣體，由基於中心反演對稱性的拓撲數Z4=2描述[5]。在不考慮SOC的情況下，這樣的二次反帶得到的是一個Z2非平庸的拓撲節線半金屬（monopole nodal line sem-imetal）。這個概念早在2015年由物理所方辰研究員提出，卻一直鮮有材料實現。在考慮SOC之後，它實際上是三維的二階拓撲絕緣體，即具有絕緣的體態和表面態（k點處處有能隙），但具有helical的時間反演保護的金屬稜態。同時，該項研究也解決了這一系列材料中γ相的MoTe2、WTe2中表面態的起源問題：這些比較大的表面態並不是拓撲平庸的，而是兩個狄拉克錐表面態（圖二a,b,c）雜化之後的產物，屬於高階拓撲絕緣體在表面上的反映（圖二d,e）。

這項工作近期發表在Phys. Rev. Lett. 123, 186401 (2019)上，圖2e被選為同期PRL雜誌封面。參與該工作合作研究的還包括西湖大學李牮博士和魏茨曼科學研究院顏丙海研究員。此項工作得到國家自然科學基金委、中組部和中科院的專項人才計劃支持。

圖一：在同時具有時間反演和中心反演的體系中，不同宇稱的能帶反帶兩次(double band inversion)得到的拓撲態由Z4=2來描述。在不考慮自旋軌道耦合（SOC）的情況下，體系可以形成攜帶拓撲非平庸的Z2拓撲荷的節線（monopole nodal lines），對應的稜態是一個類似石墨烯zigzag邊的平帶。在考慮SOC之後，它對應的體態和表面態都會打開能隙，但是在稜上會形成helical的一維金屬態，其交叉點受時間反演對稱性保護。

圖二：(a)-(c)表示由兩次反帶形成的兩個表面Dirac錐的演化，雜化後打開能隙。實際材料β-MoTe2中，(001)表面上的費米面 (d)和表面態沿著ky的色散(e)。

參考文獻：

[1] Barry Bradlyn et al., "Topological quantum chemistry", Nature, 547 (2017).[2] Po, H. C. et al., "Symmetry-based indicators of band topology in the 230 space groups", Nat. Comm. 8, 50 (2017).[3] Z. Song et al., "Quantitative mappings between symmetry and topology in solids", Nat. Comm. 9, 3530 (2018).[4] Vergniory, M.G., et al., 「A complete catalogue of high-quality topological materials」, Nature, 566, 480-485 (2019).[5] Zhijun Wang et al., Phys. Rev. Lett. 123, 186401 (2019).

編輯：米老貓

近期熱門文章Top10

↓ 點擊標題即可查看 ↓

1. 谷歌量子計算突破登Nature封面，據說200秒頂超算10000年

2. 昨天晚上被新聞刷屏了的區塊鏈，它到底是個啥

3. 禿了就是禿了，別想著會變強

4. 你用了這麼久的Type-C接口，其實是殘廢的？

5. 70年濃縮成24小時，最後一小時燃爆！

6. 「史上最強朋友圈」合影——量子力學史的縮影

7. 石英表 vs 機械錶，你選擇哪個？

8. 「我不能忍受諾貝爾獎的存在，它傷害了我。」

9. 用完的捲紙不要扔，用筆畫兩下，隔壁的小孩都... | 正經玩

10. 二維碼。。還夠用嗎？

相關焦點

  • 「拓撲絕緣體研究取得重要進展」入選2010年度中國科學十大進展
    1月18日上午，科技部召開新聞發布會，公布了「2010年度中國科學十大進展」。清華大學薛其坤、陳曦研究組和中科院物理研究所馬旭村研究組，方忠、戴希研究組，孫慶豐和謝心澄，在拓撲絕緣體領域實驗和理論兩個方面取得的系列研究成果在國際學術界引起廣泛影響，該成果以總選票排名第一入選「2010年度中國科學十大進展」。
  • 物理所關聯拓撲絕緣體和關聯拓撲晶體絕緣體研究獲進展
    拓撲絕緣體是當前凝聚態物理的研究熱點之一。這類材料不同於傳統的「金屬」和「絕緣體」，其體內為有能隙的絕緣態，而表面則是無能隙的金屬態。這種金屬表面態是由內在電子結構的拓撲性質決定的，受時間反演不變性的保護，因而受缺陷、雜質等外界影響較小。目前發現的和實驗研究的拓撲絕緣體大部分是半導體材料，電子間的關聯效應很小，理論分析較為簡單。
  • 拓撲絕緣體研究取得重要進展
    本報訊 日前，在中國科學院、國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃和國際科技合作計劃的支持下，中國科學院物理研究所、北京凝聚態物理國家實驗室博士張海軍，研究員戴希、方忠所在的T03組在拓撲絕緣體的研究方向上取得重要突破。
  • 拓撲絕緣體實驗研究取得新進展
    ，在拓撲絕緣體的實驗研究方面取得一系列突破性進展。原位角分辨光電子能譜測量顯示，這些薄膜具有本徵的絕緣體特徵。三維拓撲絕緣體的量子薄膜的實現為理論預言的量子反常霍爾效應、巨大熱電效應、激子凝聚等新奇量子現象的研究提供了基礎，是在拓撲絕緣體材料製備方面的一個重要進展。
  • 拓撲超導體與拓撲半金屬研究獲進展
    ，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。
  • 南科大俞大鵬團隊發表狄拉克半金屬超導電性調控研究新進展
    近日，南方科技大學量子科學與工程研究院院長、中國科學院院士俞大鵬團隊與北京大學、荷蘭特文特大學等合作，在狄拉克半金屬-超導體異質結量子調控方面取得研究新進展，相關成果以《通過增大狄拉克半金屬約瑟夫森結的幾何尺寸將電子輸運維數降到拓撲鉸鏈態》（「Reducing Electronic Transport Dimension to Topological Hinge States by Increasing
  • 拓撲半金屬材料研究取得新進展—論文—科學網
    最近，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研究中取得新進展。
  • 南開大學在非線性拓撲光子學領域取得重要進展
    近日，南開大學陳志剛教授、許京軍教授領導的課題組與克羅埃西亞Zagreb大學Hrvoje Buljan教授的課題組合作研究，在非線性拓撲光子學領域取得了重要進展：他們基於一維SSH拓撲光子隨著2009年微波波段單向傳輸的拓撲邊界態在實驗上首次被觀測到，光子學拓撲絕緣體以及光的拓撲特性相關的一系列研究相繼在許多不同的光學材料中得以實現，比如波導陣列、耦合諧振腔及超構材料等，逐漸形成了方興未艾的光子學分支：拓撲光子學。目前，由於實驗和理論上的一些困難，大多數拓撲光子學的研究工作主要集中在線性的拓撲效應上。然而，非線性效應的引入可能帶來許多新穎的物理現象。
  • ...發表拓撲和超導領域的重要發現:三維拓撲狄拉克半金屬中的超導...
    1980年整數量子霍爾效應的發現（諾貝爾物理獎）使得拓撲的概念應用到物理相變中。量子霍爾效應所對應的相變並不伴隨著對稱性的改變，改變了人們對於相變和對稱性破缺的看法。近些年，隨著拓撲絕緣體的發現和進一步研究，人們對基本物質態的劃分有了新的認識：物質材料可以劃分為拓撲非平庸和拓撲平庸這兩類。
  • 物理所一維拓撲超導體中的安德森無序轉變研究取得新進展
    拓撲物質態的研究是近年來物理學研究中的一個熱點。除了拓撲絕緣體之外，拓撲超導體也是一類備受關注的系統。與拓撲絕緣體類似，體內具有的超導能隙的拓撲超導體在邊界或表面上具有被拓撲保護的零能態。對於一維拓撲超導體，這些零能態是局域在邊界上的馬拉約那（Majorana）費米子態。
  • 量子材料科學中心在三維拓撲絕緣體表面態研究方面取得重要進展
    近日，北京大學量子材料科學中心劉海文、孫慶豐和謝心澄，與中心訪問學者蘇州大學江華，共同在三維拓撲絕緣體表面態研究方面取得重要進展，研究成果在線發表於7月24日的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 113, 046805 (2014).]
  • 實驗證實非簡單空間群拓撲絕緣體中的沙漏費米子 | 進展
    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。
  • 科學家在三重簡併費米子半金屬MoP中觀測到壓力誘導的超導電性
    相關研究成果發表在自然合作期刊《NPJ量子材料》(npj Quantum Materials 3, 28 (2018))上。　　拓撲材料是近幾年凝聚態物理領域的研究熱點之一。根據電子結構的不同，拓撲材料可以分為拓撲絕緣體、拓撲半金屬和拓撲超導體。三者的不同之處在於拓撲絕緣體和拓撲超導體的體態是全能隙的絕緣態，而拓撲半金屬的體態在費米面附近存在零能隙的簡併點或線。
  • 拓撲態貢獻的高次諧波產生研究取得進展
    中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室在強雷射電場與拓撲新物態相互作用新現象和新物理研究中取得進展，實驗上首次證實了拓撲表面態貢獻的高次諧波輻射，並揭示了其物理機制，為拓撲強場物理和強場與物質相互作用領域的研究帶來了新的推動力。
  • 界面超導體系與拓撲半金屬體系的表面電子-聲子相互作用研究獲進展
    該系統將一個帶有特殊設計電磁透鏡組的電子束單色器與商業化的二維半球形分析器結合，可以同時探測到散射電子能量和動量的信息。該譜儀可以對表面元激發進行高分辨、高效率的測量，能夠給出電子、晶格及其集體激發的綜合信息，是研究低維材料體系電子-聲子等多體相互作用的利器。
  • 進展|時間反演對稱破缺-磁性Weyl半金屬實驗實現
    這是繼2015年空間反演對稱破缺外爾費米子發現之後【延伸閱讀】，拓撲半金屬量子材料領域的又一重要突破，標誌著拓撲外爾半金屬全體家族成員均在實驗中得到了證實。也是繼實驗實現量子反常霍爾效應後，鐵磁序與拓撲相結合的又一重要進展，拉開了磁學與拓撲相互作用產生量子物態的新序幕。這一成果已於2019年9月20日聯合發表在《Science》上【D.F.
  • 科研人員實現三維手性拓撲絕緣體的量子模擬
    最近，北京大學量子材料科學中心劉雄軍組和中國科學技術大學杜江峰及王亞組利用量子淬火動力學模擬了凝聚態體系中難以實現的三維手性拓撲絕緣體，並第一次對體內和表面的拓撲物理進行了全面的量子模擬研究。拓撲材料的基本特性是在體內具有非平凡拓撲，邊界則出現和體拓撲相對應的邊界態。在過去的十多年裡，人們在尋找新奇拓撲物質方面取得了大量突破，發現了諸多新的拓撲相。儘管如此，在理論預言的眾多拓撲物態中，目前仍只有很小的一部分在凝聚態實驗中被觀察到。量子模擬作為一種前沿的技術，可以超越真實體系所受的限制，為探索和研究各種奇異的量子物相提供了一種強有力的手段。
  • 進展|界面超導體系與拓撲半金屬體系的表面電子-聲子相互作用
    該系統將一個帶有特殊設計電磁透鏡組的電子束單色器與商業化的二維半球形分析器結合，可以同時探測到散射電子能量和動量的信息。該譜儀可以對表面元激發進行高分辨、高效率的測量，能夠給出電子、晶格、及其集體激發的綜合信息，是研究低維材料體系電子-聲子等多體相互作用的利器。
  • 進展|磁性半金屬EuB6和量子反常霍爾效應研究進展
    拓撲半金屬的研究一直是凝聚態物理的前沿熱點研究之一。根據能帶交叉點的簡併度和形狀，拓撲半金屬材料可以進一步細分為：四度簡併點的狄拉克半金屬，二度簡併點的外爾半金屬和nodal-line半金屬等。近年來，研究人員已經在非磁性材料中發現了大量的拓撲半金屬材料，例如狄拉克半金屬Na3Bi和Cd3As2, 外爾半金屬TaAs, 和nodal-line半金屬Cu3PdN。通過破缺特定的對稱，由對稱性保護的拓撲半金屬態可以轉化為其他拓撲半金屬態或者有能隙的拓撲態，例如，破缺時間反演對稱，狄拉克半金屬會轉化成外爾半金屬；破缺鏡面對稱，nodal-line半金屬會轉化成外爾半金屬。
  • 三維狄拉克半金屬ZrTe5能帶調控研究獲進展
    不同厚度ZrTe5納米片的電阻性能和T=2K時的霍爾電阻 近期，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三維狄拉克半金屬材料