复旦大学修发贤研究组利用能谷非局域输运发现狄拉克

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近日,复旦大学物理学系教授修发贤课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中成功实现手性反常(chiral anomaly)的能谷非局域输运,该结果为外尔半金属中的手性反常现象在实验上提供了首次可靠的定量测量,并给出了手性反常的一个重要参数,能谷散射特征长度。1月9日,相关研究论文“Room-temperature chiral charge pumping in Dirac semimetals”在线发表于《自然通讯》(Nature Communications 8, 1374 (2017))。该工作是与澳大利亚昆士兰大学邹进课题组、复旦大学物理系吴义政课题组合作完成,修发贤课题组博士生张成、张恩泽、王伟懿分别为前三名作者。

1929年,物理学家Hermann Weyl预言了一种无质量的相对论粒子,即外尔费米子。直到近几年,外尔费米子才最终在凝聚态物理体系中被发现。通常的外尔费米子满足洛伦兹对称性,称为第一类外尔费米子。最近理论预言,在凝聚态物理中可以存在另一种打破洛伦兹对称性的第二类外尔费米子,对应的拓扑材料称为第二类外尔半金属。 第二类外尔半金属具有拓扑保护的不闭合表面态,体带中由于外尔点附近的能带发生显著的倾斜,理论预言会诱导各向异性的手征输运特性等新奇量子现象,掀起了人们广泛的研究兴趣。

手性反常和外尔费米子

我校缪峰教授课题组选取了第一种被理论预言的第二类外尔半金属:二碲化钨开展研究。WTe2是一种层状结构的过渡金属硫族化合物,最近因为实验上观察到的巨大不饱和磁阻已经受到了广泛的关注。其面内两个晶向相互垂直,由于a 轴方向钨链的形成,导致很强的面内各向异性。该课题组利用WTe2层状可剥离的特点得到不同层数的样品,采用可校准掩模蒸镀技术制作出高质量的WTe2薄膜器件,并发现研究WTe2手征输运特性的样品理想厚度为7-15nm。研究人员在电流平行于b轴的样品中,观测到了显著的纵向负磁阻效应(磁场与电流方向平行)。该效应对磁场与电流之间的夹角变化非常敏感,在完全平行时效应最为明显,而很小的角度就可以有效抑制该效应,分析表明该纵向负磁阻效应是由手征反常导致。同时,该课题组利用同样的制作工艺制备出电流平行于a轴的样品,发现手征反常特性消失,从而有力验证了WTe2作为第二类外尔半金属的特征。

物理学的一个重要规律就是对称性总是对应着守恒量,比如空间平移对称性对应着动量守恒。但是随着量子力学的发现,人们发现一些经典情况下具有的对称性会在量子化之后被打破,其对应的物理量就会因此不再保持守恒,这就是所谓的量子反常。电影《星际穿越》中多次出现的书和登月舱模型自动掉落书架的情节对应的引力异常现象就是一个典型的量子反常行为。另一个著名的量子反常就是这里研究的手性反常,对应着手征对称性的破缺。

在拓扑电子学的研究中,如何有效调控拓扑输运特性是实现应用的关键。在观测到手征反常效应的基础上,该课题组利用薄膜器件可栅压调控的优势,首次实现了外尔半金属费米能在外尔点附近的原位调节,在WTe2器件中实现了手征输运特性的场效应调控。该工作不仅在凝聚态物理中为原位研究第二类外尔费米子提供了可通用的实验手段,并且对拓扑及手征电子学的应用研究有着重要的意义。

1929年,德国科学家外尔(Weyl)指出无质量电子可以分为左旋和右旋两种不同“手性”, 被称为外尔费米子 (Weyl Fermion)。这种新奇的无质量粒子在粒子物理的标准模型中占有重要地位,但是多年来并没有被实验所验证。之前备受瞩目的中微子曾经被认为是外尔费米子,但是后来发现其实是有一定质量的。近期在凝聚态体系中发现非简并的能带交错点附近的电子态恰好符合外尔方程,这种半金属中的准粒子可以看成是凝聚态物理中的外尔费米子,对应的母体称为外尔半金属。在平行的磁场和电场作用下,外尔费米子会因为手征对称性的破缺出现手性反常现象,对应特定手性的外尔费米子数目不再守恒。在外尔半金属中,由于整体电子数不变,手性反常的表现就是其中一种手性的外尔费米子会在外场作用下自发转化成另一种手性,变成一种手性极化状态。

该工作以Gate-Tunable Negative Longitudinal Magnetoresistance in the Predicted Type-II Weyl Semimetal WTe2为题于2016年10月11日发表在《自然-通讯》杂志上 (Nature Communications 7, 13142 。我校物理学院博士生王瑶佳为论文的第一作者,缪峰教授、以及提供理论计算的万贤纲教授和王伯根教授为该论文的共同通讯作者,邢定钰院士和南方科技大学卢海舟教授为该项研究提供了理论支持,王振林教授提供了拉曼实验协助。该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心、科技部量子调控国家重大科学研究计划项目、科技部国家重点基础研究发展计划、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等资助。

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图1不同手性的外尔费米子和电磁场激发的手性转换 (Chiral anomaly)

图 薄膜器件结构示意图; 角度敏感的负纵向磁电阻; 背删调节下的负磁阻; 手征反常参量随栅压的变化(CW从c图的磁阻曲线拟合得到),对应费米能调过了外尔点。

手性反常的实验验证

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