拓撲半金屬材料研究取得新進展—論文—科學網

2020-12-05 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。研究人員通過SHMFF水冷磁體33T強磁場下的電輸運量子振蕩測量，給出了層狀化合物Nb3SiTe6為拓撲半金屬的實驗證據，相關研究結果在線發表在美國物理學會期刊Physical Review B上。

 

「拓撲半金屬」是不同於「拓撲絕緣體」的一類全新拓撲電子態，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，是目前量子材料領域研究的熱點和前沿。根據能帶的結構特點，拓撲半金屬可以分為拓撲狄拉克半金屬、外爾半金屬和「節線」（Node-Line）半金屬等。在拓撲節線半金屬中，能帶的交叉點在晶格動量空間形成連續的閉合曲線。在這種表面平帶（flat band）中引入電子關聯效應或超導配對，將有望實現分數拓撲態或高轉變溫度超導等新物態。

 

田明亮課題組研究員寧偉、博士生安琳琳、張紅偉等，利用水冷磁體33T穩態場對層狀化合物Nb3SiTe6在強磁場下的量子輸運特性進行了研究。理論計算認為這種化合物可能是一種新的節線半金屬。研究人員通過解理Nb3SiTe6單晶獲得不同厚度的Nb3SiTe6納米片，並對納米片的磁電阻行為和霍爾電阻進行了仔細測量。研究表明，Nb3SiTe6納米片的輸運過程主要是空穴主導的，其遷移率隨著納米片變薄而減小。而磁電阻測量發現，Nb3SiTe6納米片在較高磁場下表現出線性磁電阻，在磁場高達33T時依然沒有飽和的跡象，同時在高場下（>20T）出現量子振蕩行為。通過不同磁場角度下的量子振蕩結果發現，Nb3SiTe6的費米面具有二維特徵，且樣品中的電子具有非平庸的貝裡位相（Berry phase）。這些實驗結果首次給出了Nb3SiTe6是拓撲保護的半金屬材料的實驗證據。

 

該研究成果以Magnetoresistance and Shubnikov–de Haas oscillations in layered Nb3SiTe6 thin flakes 為題發表在《美國物理評論》雜誌上 [Phys. Rev. B 97, 235113 (2018)]。該研究工作得到了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。（來源：中國科學院合肥物質科學研究院）

 

 

 

圖1. Nb3SiTe6納米片在（a）變溫過程中的電阻特性以及（b）不同溫度下的磁阻行為。

 

 

圖2. Nb3SiTe6納米片在強磁場（~33 T）下的（a）非飽和線性磁電阻和（b）不同磁場角度下的量子振蕩行為。

 

 

 

 

 

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