上海微系统所在kagome材料电子结构研究中取得重要进展

  

  810Nature Communications在线背靠背发表了三篇对kagome金属性材料CoSn电子结构研究的论文。 [Liu et al., Nat. Commun. 11, 4002 (2002), Yin et al., Nat. Commun. 11, 4003 (2002), Kang et al., Nat. Commun. 11, 4004 (2002)] 三篇论文分别由上海微系统所,普林斯顿大学,麻省理工学院以及他们各自的合作团队完成。论文详细报道了在CoSn材料中发现的特征型kagome电子能带的性质,以及费米能级附近强电声耦合效应。 

  物质材料的性质主要由其电子结构决定。不同于薛定谔类型抛物线电子结构,材料中的线性色散和平带电子结构往往会给材料带来特殊的性质。比如,拓扑材料的线性电子结构,重费米子材料的平带电子结构以及与其相关的输运性质一直都是材料科学和前沿物理科学研究的重点。 

  上海微系统所刘中灏,沈大伟研究员与其合作者们近年来一直从事对此类具有特殊电子结构的材料研究,从电子结构上根本理解材料新奇的输运性质。比如,首次在拓扑半金属TiB2中发现nodal-link型狄拉克节线型电子结构 [Phys. Rev. X 8, 031044 (2018)]; 实验直接证明拓扑半金属SrAs3中存在极为简单的狄拉克节线型电子结构 [Phys. Rev. Lett. 124, 056402 (2020)]实验提供SrCo2As2中与电子平带相关的铁磁和反铁磁共存的直接证据 [Phys. Rev. Lett. 122, 117204 (2019), Phys. Rev. B 100, 094446 (2019)]; 在层状铁磁体AlFe2B2中发现与输运性质密切相关的线性色散和平带电子结构[Phys. Rev. B 101, 245129 (2020)]PdSb2材料中直接观测到六重简并新型费米子 [Phys. Rev. B 101, 155114 (2020)编辑推荐文章]等。 

  最近,具有kagome晶格结构的层状3d过渡金属引起了人们广泛关注。紧束缚模型计算表明kagome晶格结构具有狄拉克色散和平带特征型电子结构。当线性色散或平带位于费米能附近时,这类材料都可能体现出新奇的物理性质。然而,kagome晶格特征型能带还没有被实验完整清晰的观测到,其能带的轨道特性也有待深入研究。上海微系统所刘中灏,沈大伟研究员,与中国人民大学雷和畅,王善才教授,北京师范大学殷志平教授,上海科技大学颜世超教授等课题组开展合作研究。利用角分辨光电子能谱ARPES和扫描隧道显微镜/STM/S,并结合理论计算对具有kagome晶格结构的层状3d过渡金属CoSn的低能电子结构进行研究,实验直接观测到紧束缚模型预测的“教科书式”的kagome特征能带结构,并且发现其能带结构具有轨道选择特性。  

  顺磁的CoSn没有复杂磁性的干扰,并且具有理想的kagome晶格结构。研究发现,自旋轨道耦合使得dxz+dyz轨道特性的狄拉克点打开能隙约8 meV,远小于dxy+dx2-y2轨道特性狄拉克点的能隙(约96.5 meV)。这表明该材料存在轨道选择的狄拉克费米子,即dxz+dyz轨道对低能狄拉克费米子激发有主要贡献。更为重要的是,狄拉克色散的“帽子”平带,以小于0.2 eV的带宽贯穿了整个布里渊区。其中,dxz+dyz轨道贡献的平带带宽小于0.12 eV,尤其是在GM方向小于0.02 eV。如此小的带宽贯穿了整个动量空间,这在以往的研究中还没有被发现。另外,不同于重费米子和莫尔晶格中的平带,当忽略自旋轨道耦合效应时,kagome晶格形成的电子平带会在布里渊区中心和抛物线型能带简并,抛物线型能带延伸会形成另一个狄拉克点。该工作为kagome晶格电子能带及其轨道物理研究方面提供了一个教科书式的范例。 

  上海微系统所为该工作第一单位。刘中灏为该工作第一作者和共同通讯作者。殷志平,雷和畅,王善才为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划,国家自然科学基金等支持。 

  论文链接: 

  Zhonghao Liu,# Man Li, Qi Wang, Guangwei Wang, Chenhaoping Wen, Kun Jiang, Xiangle Lu, Shichao Yan, Yaobo Huang, Dawei Shen, Jiaxin Yin, Ziqiang Wang, Zhiping Yin,# Hechang Lei,# and Shancai Wang#. Orbital-selective Dirac fermions and extremely flat bands in frustrated kagome-lattice metal CoSn. Nat. Commun. 11, 4002 (2020). https://www.nature.com/articles/s41467-020-17462-4  

  J.-X. Yin*,# Nana Shumiya*, Sougata Mardanya*, Qi Wang*, Songtian S. Zhang*, Hung-Ju Tien*, Daniel Multer, Yuxiao Jiang, Guangming Cheng, Nan Yao, Shangfei Wu, Desheng Wu, Liangzi Deng, Zhipeng Ye, Rui He, Guoqing Chang, Zhonghao Liu, Kun Jiang, Ziqiang Wang, Titus Neupert, Amit Agarwal, Tay-Rong Chang, Ching-Wu Chu, Hechang Lei and M. Zahid Hasan#. Fermion-boson many-body interplay in a frustrated kagome paramagnet. Nat. Commun. 11, 4003 (2020).  https://www.nature.com/articles/s41467-020-17464-2  

  Mingu Kang, Shiang Fang, Linda Ye, Hoi Chun Po, Jonathan Denlinger, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Efthimios Kaxiras, Joseph G. Checkelsky and Riccardo Comin#. Topological flat bands in frustrated kagome lattice CoSn. Nat. Commun. 11, 4004 (2020). https://www.nature.com/articles/s41467-020-17465-1

  aSTM测量的Co3Sn平面kagome结构。(b紧束缚模型计算的kagome材料特征性电子结构,即在布里渊区K点存在戴“帽子”(平带)的狄拉克型色散。(c不同偏振光下,ARPES测量K点附近kagome特征能带。(dDFT计算的能带结构。