上海微系統(tǒng)所等在Nodal-line材料電子結(jié)構(gòu)研究中取得進(jìn)展

中國科學(xué)院超導(dǎo)電子學(xué)卓越創(chuàng)新中心、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員沈大偉與副研究員劉中灝課題組，與中國人民大學(xué)教授王善才、雷和暢、劉凱團(tuán)隊(duì)以及德國萊布尼茨固體物理材料研究所(IFW—Dresden)教授Sergey Borisenko研究小組成員進(jìn)行合作，利用高分辨角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)與第一性原理計(jì)算對(duì)高質(zhì)量TiB2 單晶樣品的低能電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，首次證實(shí)了拓?fù)浒虢饘賂iB2 中存在節(jié)線(nodal-line)型的電子結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文Experimental Observation of Dirac Nodal Links in Centrosymmetric Semimetal TiB2 現(xiàn)已發(fā)表于Physical Review X 8,031044 (2018)。

拓?fù)浒虢饘賹⑿缕嫱負(fù)潆娮恿孔討B(tài)從拓?fù)浣^緣體擴(kuò)展到金屬性材料。這類材料中的一些導(dǎo)帶和價(jià)帶交叉點(diǎn)受到空間、時(shí)間或者某些晶體對(duì)稱性的保護(hù)，使得特定對(duì)稱性的微擾不能使其打開能隙。當(dāng)這些線性能帶的交叉點(diǎn)靠近費(fèi)米能級(jí)時(shí)，材料低能激發(fā)的準(zhǔn)粒子性質(zhì)和普通的薛定諤類型的準(zhǔn)粒子激發(fā)會(huì)有很大區(qū)別，從而導(dǎo)致材料表現(xiàn)出新奇的物理性質(zhì)。按維度分類，這些電子結(jié)構(gòu)中的交叉點(diǎn)可以分成零維的節(jié)點(diǎn)(nodal points)和一維的節(jié)線。節(jié)點(diǎn)型材料近來已經(jīng)被廣泛地研究和報(bào)道，如在狄拉克、外爾和三重簡(jiǎn)并的半金屬材料中已經(jīng)分別發(fā)現(xiàn)了四重、兩重以及三重簡(jiǎn)并的節(jié)點(diǎn)。一維的節(jié)線性材料有著更多變的構(gòu)型，目前只在很少一些材料中發(fā)現(xiàn)了某些構(gòu)型的節(jié)線型電子結(jié)構(gòu)的跡象。

該工作首次證實(shí)了TiB2 材料中存在兩類受到不同晶體對(duì)稱性保護(hù)的節(jié)線型電子結(jié)構(gòu)。不同于以往發(fā)現(xiàn)的孤立的節(jié)線，這兩類節(jié)線相交于一點(diǎn)，形成nodal-link 型的奇異電子結(jié)構(gòu)。這種nodal-link 的電子結(jié)構(gòu)也是首次被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到。此外，相對(duì)于已經(jīng)被報(bào)道的其他節(jié)線型材料，TiB2 的費(fèi)米面主要由節(jié)線構(gòu)成且和其他能帶無互相干涉，因此為進(jìn)一步研究狄拉克節(jié)線費(fèi)米子提供了一個(gè)理想的研究平臺(tái)。同時(shí)該研究還將節(jié)線型電子結(jié)構(gòu)特性的研究范圍擴(kuò)展到像二硼化物這類自旋軌道耦合相對(duì)較弱的材料。

劉中灝為該工作第一作者，上海微系統(tǒng)所為該工作第一單位。該工作獲得基金委國家重大儀器專項(xiàng)(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：11227902)、面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃等的支持。