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HfC中的结链半金属态和外尔半金属态研究成果出炉

发布时间:2017-08-01  作者:  浏览:73次

 

寻找新的物质态是凝聚态物理的重要课题之一。近些年,拓扑半金属态吸引了物理工作者的研究兴趣。拓扑半金属中最具代表性的两个成员是狄拉克半金属和外尔半金属。它们的电子的能量与晶格动量成线性关系,是典型的狄拉克锥形(图一 a,b)。狄拉克半金属中费米能附近的狄拉克锥顶点具有四重简并,可以用无质量的狄拉克方程描述。外尔半金属的费米面则由成对的二重简并的锥顶点组成,分别由手性相反的外尔方程描述。因此,狄拉克半金属和外尔半金属中具有和粒子物理中的狄拉克费米子和外尔费米子相对应的准粒子激发。这使得人们可以在固体材料里面研究狄拉克费米子和外尔费米子的某些物理性质。固体晶格破坏了空间的连续对称性,因此另几类拓扑半金属态,如结线半金属(图一 c)、结链半金属(图一 d)、三重简并费米子等并没有高能物理上的粒子相对应。人们通过研究认识到结线或结链半金属态,可以看作是多种拓扑态的母态,由它出发,可以调控出狄拉克半金属、外尔半金属和拓扑绝缘体等。此外,结链、结线半金属态相比于结点半金属态具有更丰富、更新奇的费米面构型,相应的材料和其包含的物理特性是凝聚态物理中非常值得研究的课题。

 

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近期,武汉大学物理科学与技术学院余睿教授与苏黎世联邦理工学院的吴泉生博士及中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)T03组方忠、翁红明研究员合作,对具有碳化钨晶体结构的化合物HfC(图二所示)中的电子能带结构做了系统的研究。

 

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研究发现,在不考虑自旋轨道耦合作用时,HfC的电子结构表现为结链半金属态(如图三 b所示)。这里的结链是由晶体结构中的镜面对称性和能带反带结构导致,可以稳定存在。此类结链态的形成机制也为在光子晶体和声子晶体等无自旋轨道耦合系统中设计结链态提供了理论基础。当进一步考虑自旋轨道耦合效应后,结链会退化成图三所示的结点,系统变成外尔半金属。该工作详细研究了HfC材料中结链半金属态演化成外尔半金属态的物理机制,讨论了外尔半金属态存在的条件(图四)。论文在物理类权威刊物 Phys. Rev. Lett. 上发表。

本工作得到了科技部,国家自然科学基金和中国科学院先导B类专项等项目的支持。《Physical Review Letters》刊登了相关研究成果。

论文链接: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.036401

 

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(本文转载自武汉大物理科学与技术学院