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北京大學量子材料科學中心杜瑞瑞及馮濟教授課題組在三維外爾半金屬中發現一維費米弧邊界態

2021-11-25

 

北京大學量子材料科學中心杜瑞瑞教授课题组和冯济教授课题组合作利用低温扫描隧道显微镜及谱学测量方法,在观测TaAs外尔半金属不同晶面构成的台阶边缘时,发现了原子尺度稳定的一维费米弧边界态,以及费米弧在不同晶面上由一维边界态向二维表面态的演变。相关成果发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),第一作者为量子材料科学中心已出站博士后郑晓虎博士及2015级博士毕业生顾强强博士,量子材料科学中心杜瑞瑞教授和冯济教授为共同通讯作者。

图 TaAs外尔半金属(112)解离面上的一维边界态

如上图(左)所示,在TaAs晶体中,由于对称性破缺会产生手征外尔点,当投影于晶面后,会形成连接不同手征外尔点的非闭合费米面,此时的晶面具有费米弧拓扑态,(001)晶面便是这样的费米弧态晶面。而(110)晶面上由于不同手征外尔点会投影于晶面的同一点,因此不确定其是否具有这种费米弧拓扑态。实际上TaAs晶体中还存在(112) (114)等可能被解离或易于在晶体表面表现的晶面,但对于这些晶面上的拓扑态信息知之甚少。

本研究中,研究者利用低溫隧道顯微鏡譜學測量,在TaAs單晶晶面台階上(如上圖(中)所示)觀測到了原子尺度穩定的一維費米弧邊界態,並通過對TaAs不同晶面的測量,監測到費米弧邊界態隨晶面指數變化從一維邊界態到二維表面態的演化過程。上圖(右)顯示了在(112)解離面上觀測到的清晰的一維費米弧邊緣態。

理論計算模擬顯示,當外爾點在晶面的投影不具有手征特性時,手征外爾點仍然能夠實現在一維邊界(原子台階)上的投影,從而保證一維費米弧在邊界處的局域行爲。而當手征外爾點能夠實現整個晶面的投影時,一維費米弧將浸沒于二維拓撲表面態。

理論計算與實驗結果的一致性表明,在三維外爾半金屬中,拓撲體邊一致性不僅存在于三維體態與二維表面態,對于一維邊界態仍然適用。一維費米弧拓撲態的發現對于基于外爾半金屬拓撲態的調制以及相關量子器件的研制具有重要的意義。

該研究得到了國家重點研發計劃,中國科學院戰略性先導科技專項,以及國家自然科學基金的支持。

研究詳情請見原文:

Observation of 1D Fermi arc states in Weyl semimetal TaAs

https://doi.org/10.1093/nsr/nwab191

 

 

 

來源:北京大學量子材料科學中心

 



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