科技进展

上海微系统所在Nodal-line材料电子结构研究领域取得重要进展

  

中科院超导电子学卓越创新中心、上海微系统所信息功能材料国家重点实验室沈大伟研究员与刘中灏副研究员课题组,与中国人民大学王善才教授,雷和畅教授,刘凯教授团队以及德国莱布尼茨固体物理材料研究所(IFWDresdenSergey Borisenko教授研究小组成员进行合作,利用高分辨角分辨光电子能谱实验技术与第一性原理计算对高质量TiB2 单晶样品的低能电子结构进行了研究,首次证实了拓扑半金属TiB2 中存在节线(nodal-line)型的电子结构。相关论文“Experimental Observation of Dirac Nodal Links in Centrosymmetric Semimetal TiB2”现已发表于Physical Review X 8,031044 (2018)。

拓扑半金属将新奇拓扑电子量子态从拓扑绝缘体扩展到金属性材料。这类材料中的一些导带和价带交叉点受到空间、时间或者某些晶体对称性的保护,使得特定对称性的微扰不能使其打开能隙。当这些线性能带的交叉点靠近费米能级时,材料低能激发的准粒子性质和普通的薛定谔类型的准粒子激发会有很大区别,从而导致材料表现出新奇的物理性质。按维度分类,这些电子结构中的交叉点可以分成零维的节点(nodal points)和一维的节线。节点型材料近来已经被广泛地研究和报道,如在狄拉克、外尔和三重简并的半金属材料中已经分别发现了四重、两重以及三重简并的节点。一维的节线性材料有着更多变的构型,目前只在很少一些材料中发现了某些构型的节线型电子结构的迹象。

该工作首次证实了TiB2 材料中存在两类受到不同晶体对称性保护的节线型电子结构。不同于以往发现的孤立的节线,这两类节线相交于一点,形成nodal-link 型的奇异电子结构。这种nodal-link 的电子结构也是首次被实验观测到。此外,相对于已经被报道的其他节线型材料,TiB2 的费米面主要由节线构成且和其他能带无互相干涉,因此为进一步研究狄拉克节线费米子提供了一个理想的研究平台。同时该研究还将节线型电子结构特性的研究范围扩展到像二硼化物这类自旋轨道耦合相对较弱的材料。

刘中灏副研究员为该工作第一作者,上海微系统所为该工作第一单位。本工作获得了基金委国家重大仪器专项(项目批准号:11227902),面上项目,青年项目,科技部国家重点研发计划,上海市扬帆计划等项目的支持。

论文链接:https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.031044

图(aTiB2晶体结构。(bTiB2的布里渊区,高对称点和对称性镜面。(c)第一性原理计算的三维费米面结构。其中r1r2是两类不同对称性的nodal lines形成的费米面。J点为r1r2的交点。(d)构成r1 nodal lineab nodes。(e)通过改变光子能量测量的r2 nodal line J 交点。