美高梅4858官网中国科学院合肥物质科学研究院

近日,南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心的多个协同单位中的课题组通力合作,协同创新取得重要进展。包括我校物理学院孙建教授课题组、万贤纲教授课题组,中科院合肥物质科学研究院杨昭荣研究员课题组,以及北京高压研究中心杨文革研究员课题组等小组的研究人员,一同对Weyl半金属材料TaAs在高压条件下结构与拓扑性质的调控进行了深入研究,发现了TaAs在高压下存在一个新的拓扑相,而且它是一种与常压相不同的Weyl半金属,相关结果以Pressure-Induced New Topological Weyl Semimetal Phase in TaAs为题,发表在《物理评论快报》上(Physical Review Letters 117, 146402 。

中国科学院强磁场科学中心的杨昭荣研究员与南京大学孙建教授、万贤纲教授以及北京高压科学研究中心杨文革研究员等组成的合作研究团队,在拓扑外尔半金属材料TaAs的量子序调控研究中取得重要进展,相关结果以“Pressure-Induced New Topological Weyl Semimetal Phase in TaAs”为题,发表在美国物理评论杂志Physical Review Letter上。

Weyl半金属材料是近年来国际凝聚态物理研究的热点之一。电子在这种材料中运动时其动量与自旋之间被绑定,从而没有背向的散射,可以实现无耗散的电子传输,可能在新一代的电子器件中有重要的应用。TaAs家族材料是较早在理论预言后很快被实验证实的Weyl半金属材料之一。在常压下,TaAs具有四方结构,其空间群为I41/md。这类材料体内有共有12对Weyl点,分别分布在两个不同的能级上,其电子结构比较复杂。

伴随着拓扑绝缘体的发现,材料的拓扑特性以及新奇量子效应在过去的十年里受到了广泛的关注和研究,拓扑电子材料家族也从最初的拓扑绝缘体逐渐扩展到狄拉克半金属和外尔半金属等。外尔半金属具有表面态费米弧、手性反常导致的负磁阻等新奇物理性质,在低能耗电子器件、量子计算等领域具有潜在的应用价值。2015年,非中心对称的TaAs家族被理论预言并成为首个实验证实的外尔半金属体系,这类材料常压下为四方结构,其三维布里渊区内有24个外尔点,它们处在两个不同能级之上。压力作为一种洁净的维度,直接作用于晶格自由度,是调节量子相变、诱导新物态的一个直接途径。因而,压力下材料的拓扑特性如何演化不但有助于外尔半金属物理本质的研究,同时也将为设计新的拓扑电子材料提供新思路。

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研究团队通过理论分析并结合高压下的电输运测量和同步辐射X射线衍射等实验手段,对TaAs单晶高压下的物理行为进行了详细研究(压力最高达到54GPa)。理论预测和实验测量结果一致表明,TaAs常压四方I41md结构中处在两个不同能级上的24个外尔点在低压区可以稳定存在。当压力超过14GPa后,新的高压六方相P-6m2出现。进一步的研究发现,该高压六方相属于一类新型拓扑半金属,它只拥有12个外尔点并位于相同能级之上,因而相比于常压相而言能带结构更为简单。卸压同步辐射X射线衍射实验结果证实了这个新型拓扑半金属相可以稳定保留至常压,这为以后在常压下进一步研究这个新型外尔半金属相提供了可能。

图1 理论预言的TaAs各相的焓值和体积随压力变化的曲线,及其晶体结构。

高压下的电输运测量部分实验在中国科学院强磁场科学中心的高压-强磁场-低温综合测量系统上完成。强磁场中心助理研究员周永惠、南京大学博士生陆鹏超和杜永平、以及强磁场中心副研究员朱相德为本文共同第一作者,上述研究成果得到了国家自然科学基金,973计划等项目的资助。本工作合作单位还包括中国科学院固体物理研究所、美国阿贡国家实验室以及南京大学协同创新中心。

另一方面,高压是调节材料晶体结构进而改变材料电子结构的重要手段,高压也是合成新材料的重要方法。近年来,研究人员在很多材料中用高压方法诱导出了超导电性。在一个具有拓扑性质的材料中加压,研究材料有没有可能在保持拓扑性质的同时出现超导也是研究拓扑超导的思路之一。所以,课题研究人员想尝试利用高压改变Weyl半金属的电子结构并探索可能的拓扑超导。

相关链接: “Pressure-Induced New Topological Weyl Semimetal Phase in TaAs” Phys. Rev. Lett. 117, 146402 . doi: 10.1103/PhysRevLett.117.146402。

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