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浙大袁辉球团队在重费米子体系中发现外尔费米子实验证据 |
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浙大袁辉球团队在重费米子体系中发现外尔费米子实验证据 2018年11月5日,《Nature Communications》在线报道了浙江大学关联物质研究中心袁辉球/刘洋/Michael Smidman团队与杭州师范大学物理系曹超教授合作的最新研究成果:在重费米子半金属YbPtBi中发现外尔费米子的实验证据。
凝聚态物质中的拓扑序和拓扑相变是物理学中的一个重要发现,它突破了基于对称性破缺的经典朗道理论,解释了包括涡旋激发、量子霍尔效应等在内的许多新现象。近年来,人们在凝聚态材料中发现了一系列受对称性保护的拓扑量子物态,例如拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属等。这些拓扑材料表现出独特的电子性质,在自旋电子器件以及量子计算等方面具有独特的应用前景。寻找新型拓扑材料、揭示新的拓扑物性仍是当今前沿热点研究问题。 外尔半金属是一类重要的拓扑半金属材料,由于其准粒子低能激发与外尔费米子具有类似的性质而得名。1929年,赫尔曼×外尔(Hermann Weyl)通过对狄拉克方程做了零质量简化,得到了所谓的外尔方程,其描述的就是质量为零且具有自旋手性的外尔费米子。寻找外尔费米子一直是高能物理领域中的一个重要课题,然而迄今尚未在实验上找到相应的粒子。近年来,人们在一些凝聚态物质的电子结构中发现成对出现的外尔节点,这些外尔点在表面上的投影由费米弧连接,即一段不闭合的费米面。外尔半金属表现出许多新奇电学特性,例如线性巨磁阻,手性异常效应和反常霍尔效应等。 迄今为止,绝大部分实验中确认的外尔半金属均属于弱关联电子体系。在这些材料中,由于电子间关联效应较弱,第一性原理计算往往能比较准确地预言其能带拓扑结构,并且很快被角分辨光电子能谱等实验证实。那么,强关联电子体系中是否也存在外尔费米子?电子关联效应与拓扑序相结合后会产生什么新的现象?怎样来探测强关联电子体系中的拓扑性质? 重费米子是一类典型的强关联电子体系,通常存在于含有f-电子的镧系或者锕系金属间化合物中。在重费米子体系中,随着温度的降低,局域的f-电子通过近藤效应与导带电子集体杂化而产生巡游重电子,其有效质量高达自由电子质量的上千倍,"重费米子"因此而得名。在这类材料中,局域电子与巡游电子间的近藤相互作用还会打开一个小的杂化能隙。当费米能级位于杂化能隙之内时,材料呈现出绝缘体或者半导体行为,这类材料又称近藤绝缘体或者半导体。而在更多的情况下,费米能级穿过导带,材料表现出金属行为。因此,重费米子体系可以呈现出非常丰富的量子特性。1979年,德国科学家Frank Steglich教授(现为浙大关联物质研究中心主任)首次在重费米子金属CeCu2Si2中发现超导,这也是第一个非常规超导体。到目前为止,人们已经在40多个重费米子材料中观察到超导现象。重费米子超导表现出许多与高温超导相似的性质,对研究高温超导机理具有重要借鉴意义。另一方面,由于重费米子体系的能量尺度较低,其基态连续可调,是研究量子相变的理想体系。 图1:重费米子的形成
(a)比热的温度三次方依赖关系。(b) 拓扑霍尔效应。 这些发现为研究拓扑态与电子关联效应和拓扑量子相变提供了一个新的平台。论文审稿人指出,"该工作将成为研究具有近藤相互作用的外尔费米子半金属的一个范例"。这一结果也引起了国际同行的广泛关注,已应邀在美国APS March Meeting、国际磁学会议(ICM)等多个重要国际会议上做邀请报告。 这一研究成果由浙江大学、杭州师范大学、美国劳伦斯-伯克利国家实验室等单位合作完成,也是关联物质研究中心各团队成员在材料制备、极端条件物性测量、谱学测量和能带计算等方面的一次完美合作。浙江大学物理系博士研究生郭春煜为论文第一作者,袁辉球教授为论文通讯作者,刘洋研究员负责角分辨光电子能谱测量;杭州师范大学物理系的曹超教授为该项目提供了能带计算;部分角分辨光电子能谱在美国劳伦斯-伯克利国家实验室完成。该项研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金委和科学挑战专项的资助。 论文链接:C. Y. Guo, F. Wu, Z. Z. Wu, M. Smidman, C. Cao, A. Bostwick, C. Jozwiak, E. Rotenberg, Y. Liu, F. Steglich, H.Q. Yuan, Evidence for Weyl fermions in a canonical heavy-fermion semimetal YbPtBi, Nature Communications9, 4622 (2018). |
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