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金属所在碱土金属单质中发现拓扑狄拉克节线量子态

发布时间:2016-08-28

金属单质铍具有十分罕见的性质,不但具有极轻高强的特点,而且是优异的等离子体面向材料(比如核聚变堆铍毯),是反应堆中最好的中子减速剂,是透X射线的能力最强的金属,等等。因此铍在原子能、火箭、导弹、航空、宇宙航行以及冶金工业中有重要作用。同时,铍还具有特殊的电子结构,其电子输运性质接近于半金属,磁场条件下会出现朗道量子振荡;与绝大多数其它金属单质不同,在其(0001)面上的表面态严重偏离近自由电子模型并且会出现奇异原子弛豫现象,伴随着强电-声耦合效应和巨大的反常弗里德尔振荡。在过去的六十多年里,对金属铍奇异性质的机理探索从未停止,并引起了长期的争论。早期的理论认为金属铍表面的特殊现象与其巨大的原子弛豫有关,但在接下来的研究中人们发现这种理论并不合理,与诸多实验与理论结果相矛盾。金属铍特殊性质的机理依然是一个悬而未决的科学谜题。

最近,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室材料加工模拟研究部陈星秋研究员、博士生李荣汉等通过第一原理计算,在金属铍单质中发现拓扑狄拉克节线(Topological Dirac Node Lines)量子态。它与拓扑狄拉克半金属和外尔半金属不同,该类新的量子态是金属能带线性交叉点在晶格动量空间形成连续闭合的曲线。它在铍的(0001)表面的投影是一个闭合的圆,圆内出现受体态保护半占据的拓扑非平庸能带,会在费米能处出现极高的态密度。令人吃惊的是,这条拓扑非平庸的表面态从上个世纪八十年代起就先后被国际上诸多研究团队实验观察到,但当时其产生机理并未被揭示。当前研究表明,其特殊的表面电子能带结构来源于体材料中的拓扑狄拉克节线量子态,基于这个认识金属铍的诸多特殊现象可以得到完美的解释,解决了长久以来困扰人们的谜题。

更重要的是,这一发现不仅解决了金属铍中困扰的机理问题,也证实了拓扑狄拉克节线量子态的存在。早在1976年,麻省理工著名学者R. Jackiw和C. Rebbi通过求解狄拉克方程和杨-米尔斯方程,预测在费米场中孤子态存在这种量子态,但迄今缺乏实证。2011年,美国加利福尼亚圣芭芭拉分校的Leon Balents教授和加拿大滑铁卢大学的A. A. Burkov教授进一步研究认为这种量子态可以在固体材料中以准粒子形式存在。近几年,在实际材料中寻找这种新的量子态成为广受关注的热门领域,虽然先后在很多材料中预测存在这种量子态,均未被实验验证。当前,在金属铍中的结果证实了这种量子态诱发的拓扑非平庸表面态,为拓扑狄拉克节线量子态的存在提供了强有力的证据。审稿人认为,“这是第一个被实验证实的狄拉克节线量子态的体系”。

同时,研究还进一步发现该类型量子态也存在于镁、钙和锶等碱土金属单质中,金属镁中的狄拉克节线与铍类似,具有相似的表面态,理论结果也与实验吻合。钙和锶中的狄拉克节线态稍有不同,其拓扑非平庸表面态出现在狄拉克节线外部。由于碱土金属单质尤其是铍的自旋-轨道耦合效应极为微弱,不用担心因该效应导致狄拉克节线退化成狄拉克半金属或者外尔半金属,因此它们提供了一个稳定的平台研究狄拉克节线量子态相关的现象。

研究工作得到了沈阳材料科学国家(联合)实验室顶层导向研究项目和国家自然科学基金项目的支持。

工作发表在最新一期的《Physical Review Letters》117, 096401 (2016) 。

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1. 拓扑狄拉克结线量子态。(a)在铍单质中,狄拉克节线量子态位于动量空间内的kz=0的平面;(b)在钙单质中,狄拉克节线量子态位于动量空间内的kx+ky=0的平面。

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2.(a)计算的铍单质(0001)表面的费米面,Ring A为拓扑狄拉克节线的投影,而Ring B则为拓扑非平庸半占据表面态。(b和c) 2005年实验报道的ARPES结果,证实了Ring B的表面态[见Phys. Rev. B, 72, 165414 (2005)]。(d)1997年STM实验观察到的巨大反常弗里德尔振荡结果,经傅里叶变换后的二维图像[见Science,275,1765,(1997)]。

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3. 铍单质(0001)表面由体态拓扑保护的非平庸表面态(SF-band 1)与ARPES实验结果一致。(来源:中科院金属所)


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