線性的能帶交叉附近的電子激發是無質量的費米準粒子

2019-05-15 李俊

拓撲半金屬材料的體內電子態在費米能級附近有受到對稱性或拓撲保護的能帶交叉，線性的能帶交叉附近的電子激發是無質量的費米準粒子。拓撲半金屬中的能帶交叉有很多種類型，如果按照維度來區分，大多數能帶交叉在動量空間中形成零維的節點（nodal point），如Na3Bi和Cd3As2中的狄拉克點、TaAs中的外爾點、MoP和WC中的三重簡并點、CoSi中新型的手性節點等。在某些情況下，額外的晶體對稱性會保證能帶交叉點在動量空間中延伸，形成一維的節線（nodal line），甚至二維的節面（nodal surface）。

節線半金屬在2011年被提出，能帶計算已經預言了不少候選材料，其中ZrSiS系列受到非常多的關注，因為它能帶結構理想，能帶計算表明在費米能級除了節線沒有其它平庸能帶的干擾，并且易于制備出高質量的單晶樣品。2015年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心T03組博士生許秋楠和研究員翁紅明等首先報道了ZrSiS系列費米能級附近節線的計算結果[Phys. Rev. B 92, 205310 (2015)]。2017年，A. Topp等人指出在費米能級以下布里淵區邊界還存在非簡單空間群保證的節面[Phys. Rev. X 7, 041073 (2017)]。

2016年以來已經有很多關于ZrSiS系列的角分辨光電子能譜（ARPES）實驗結果的報道（圖1E、I、J），但和理論計算的體態電子結構（圖1D、H）有明顯的差異。這是因為這些ARPES測量的是解理表面晶體對稱性破缺以及懸掛鍵產生的表面態，所以和理論計算的表面態電子結構（圖1C、F）吻合。物理所EX7組博士生付彬彬、研究員錢天、丁洪等發現在空氣中解理ZrSiS樣品可消除表面態，再借助軟X射線ARPES探測范圍較深的特點，可以觀測到干凈的體態電子結構（圖1G、K、L），與理論計算（圖1D、H）吻合?；谶@個方法，他們對ZrSiS體態中的節面（圖2）和節線（圖3）電子結構開展了系統的測量，并確認了費米能級處所有的電子態都來自于節線。在這個工作中，物理所EX1組博士生伊長江和研究員石友國提供了ZrSiS單晶樣品，T03組博士生張田田和研究員翁紅明進行了能帶計算。

相關研究成果于5月3日在Science Advances上在線發表。該工作得到科技部（2016YFA0300600、2016YFA0401000、2016YFA0302400、2018YFA0305700、2017YFA0302901），國家自然科學基金委（11622435、U1832202、11474340、11674369、11474330、11774399），中科院（QYZDB-SSW-SLH04、XDB07000000、XDB28000000），科學挑戰計劃（TZ2016004），王寬誠教育基金會（GJTD-2018-01），北京市自然科學基金委（Z180008），北京市科委（Z171100002017018、Z181100004218001、Z181100004218005）的資助。