近日,中科院合肥研究院强磁場中心周建輝研究員和北京理工大學姚裕貴教授團隊以及清華大學周樹雲教授等合作,預言並在高溫相的電荷密度波資料Ta2Se8I中發現第三類外爾費米子。此外,研究人員還發現它具有“三高”特性:高溫相、高陳數、高階傾斜項。相關論文以“Type-III Weyl semimetals:(TaSe4)2I”為題在Physical Review B上作為Letter形式發表。該工作受到編輯高度評價,被選為編輯推薦文章(Editors’Suggestion)。
這項研究工作中,作者發現晶體對稱性可以在外爾准粒子運動方程中誘匯出二階甚至更高階的傾斜項。不同於線性傾斜項,二階傾斜項在多重外爾半金屬(陳數為2或3)導致全新的第三類外爾費米子。它具有獨特的費米麵:電子-電子或空穴-空穴口袋的費米麵在同一個高陳數的外爾點處相接觸(圖1(c))。基於外爾點的廣義傾斜項,作者提出了直觀且清晰的物理機制,可以統一地分類第一、二、三類外爾半金屬。值得指出的是,這種二階傾斜項在線性的外爾方程中不占主導,只有在高陳數的外爾半金屬中才能起主導作用。此外,由於高陳數的外爾半金屬尚缺乏實驗證據,這也使得人們過去一直沒有發現它。
角分辨光電子能譜實驗表明高溫相的Ta2Se8I(圖1(d))具有第三類外爾費米子的特徵能量色散。另外,作者發現二階傾斜項導致第三類外爾半金屬的朗道能級的上翻現象以及手性朗道能級的劈裂,這些都可作為實驗中診斷第三類外爾半金屬的指針性證據。
事實上,低溫相的Ta2Se8I作為經典的電荷密度波資料已經被寫入固體物理教科書,但是人們對於其高溫相的拓撲性質和派爾斯相變機制的認識還不够清楚。這項研究工作首次揭示了高溫相的Ta2Se8I中外爾半金屬的本質,將為探討相關的新奇物性提供理論指引(如圖1(e)所示)。作者預言的第三類外爾費米子也被別的課題組在鐵磁資料X2RhF6(X=K,Rb,Cs)中發現(Phys. Rev. B 102,195104(2020))。
此次研究工作得到了中科院以及强磁場安徽省實驗室的項目支持。
文章連結:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.103.L081402。
圖1:三類外爾點的示意圖:(a)第一類外爾半金屬的點類型費米麵;(b)第二類外爾半金屬的電子-空穴口袋型費米麵;(c)第三類外爾半金屬的電子(空穴)-電子(空穴)口袋類型費米麵;(d)Ta2Se8I的晶體結構;(e)001面上四重螺旋表面態。
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