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中國科學院物理研究所 EX1組供稿 第89期 2019年12月20日
北京凝聚態物理國家研究中心
外爾半金屬WP2電阻率各向異性及其光譜研究取得進展

  探索第二類外爾半金屬材料并研究其中奇異物性是目前拓撲量子物理研究中受到廣泛關注的領域之一。理論預言二磷化鎢WP2是第二類外爾半金屬。因為WP2中磷原子和過渡族金屬鎢原子之間較大的電荷密度分布差異導致其晶體結構的對稱性難以通過X射線衍射來直接確定,所以作為WP2第二類外爾半金屬態出現的前提條件之一的空間反演對稱性破缺有待實驗進一步證實。此外,WP2的晶體ac面內電阻率的各向異性隨溫度的變化還未被實驗研究,并且其晶體ac面內電阻率的各向異性能否被磁場調控尚不清楚。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX1組諶志國特聘研究員指導博士生蘇博、聯培碩士生侯延輝與合作者開展了WP2的空間反演對稱性和其ac面內電阻率各向異性的研究。他們利用轉角線偏振拉曼光譜測得WP2中拉曼活性聲子的能量(請見圖1a和圖1b)以及聲子峰強與晶體a軸和入射光電場方向之間夾角的關系(請見圖1c和圖1d)均與第一性原理計算其空間反演對稱性破缺的晶體結構(空間群Cmc21)得到的結果一致。拉曼光譜實驗與理論計算結果之間的一致表明WP2晶體結構的空間反演對稱性破缺,支持WP2中存在外爾半金屬態。一般而言,晶體結構的特征與其電子性質密切相關,故他們進一步研究了WP2在不同溫度和不同磁場下的ac面內電阻率各向異性。低溫電輸運測量結果表明當溫度在100 K – 200 K之間,WP2的面內電阻率各向異性表現出較弱的溫度依賴,電流分別沿其晶體c軸和a軸的電阻率Rc/Ra的比值約為1.6;但當溫度低于100 K時,面內電阻率各向異性陡然增大,在溫度為10 K時Rc/Ra ≈ 8.0(請見圖2b)。進一步的電輸運測量表明,對WP2施加垂直于其ac面的磁場,可以調控其面內電阻率各向異性的大小,當磁場達到9 T時,其面內電阻率比值Rc/Ra可增大至約10.6(請見圖2c)。因此,在載流子濃度為1021 cm-3的已知第二類外爾半金屬(如MoTe2和TaIrTe4)中,WP2呈現出最大的面內電阻率各向異性。為探究WP2面內電阻率各向異性在低溫陡增的原因,他們測量了其在低溫下的線偏振紅外反射光譜(即入射光電場方向分別平行于WP2a軸和c軸,請見線偏振反射光譜于圖3a)。紅外光譜測量結果表明,隨著溫度的降低,WP2的載流子濃度和有效質量均表現出較弱的溫度依賴(請見圖3d),但其ac面內散射率各向異性在溫度100 K以下突然增強,且與面內電阻率各向異性隨溫度變化的情況一致(請見圖2b和圖3f)。因金屬的電阻率R一般由其載流子濃度n,載流子有效質量m*和散射率τ決定:R = m*/(e2), 故WP2的低溫線偏振光譜結果說明其面內電阻率各向異性在低溫的陡然增大來源于其面內散射率各向異性的突然增強。以上研究工作為將來利用第二類外爾半金屬的電阻率各向異性發展新型電子元器件打下了基礎。

  該工作得到科技部國家重點研發計劃(2017YFA0304700,2016YFA0300600),國家自然科學基金(51772322)等項目的支持。參與該工作的研究人員還包括:物理所雒建林研究員、郭建剛特聘研究員、楊洋副主任工程師、天津理工大學馬永昌副教授、西南科技大學趙建洲博士、物理所博士生宋艷鵬和陳旭。相關成果發表在Advanced Materials【Bo Su, Yanpeng Song, Yanhui Hou, Xu Chen, Jianzhou Zhao, Yongchang Ma, Yang Yang, Jiangang Guo, Jianlin Luo, and Zhi-Guo Chen*, “Strong and Tunable Electrical Anisotropy in Type-II Weyl Semimetal Candidate WP2 with Broken Inversion Symmetry”, Adv. Mater. 31, 1903498 (2019)】。

  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201903498

圖1: WP2的轉角線偏振拉曼光譜研究。(a) 計算得到的拉曼活性聲子的原子振動示意圖。(b)分別在垂直位型(即入射線偏振光電場方向Ei與散射線偏振光電場方向Es垂直)和平行位型(即入射線偏振光電場方向Ei與散射線偏振光電場方向Es平行)下拉曼光譜測得的拉曼活性聲子。(c) 在平行位型下,WP2的拉曼光譜隨其a軸與入射光電場方向Ei之間夾角的變化。(d) 在平行位型下,WP2的拉曼活性聲子峰強隨a軸與Ei之間夾角的變化。
圖2: WP2的晶體ac面內電阻率各向異性的研究。(a) 電流分別沿晶體ca軸的電阻率RcRa隨溫度的變化。(b) 電流分別沿晶體ca軸的電阻率之間比值Rc/Ra與溫度的關系。(c) 在溫度為10 K時,面內電阻率之間比值Rc/Ra隨垂直其ac面的磁場的變化。(d) 在載流子濃度為1021 cm-3的已知第二類外爾半金屬的面內電阻率各向異性。
圖3: WP2的低溫線偏振紅外光譜研究。(a) 入射光電場方向分別平行于晶體ca軸的紅外反射光譜。圖中兩個箭頭所指的能量位置分別為兩個偏振方向的屏蔽等離子頻率\(\omega_{c}^{s c r}\)\(\omega_{a}^{s c r}\)。(b) 入射光電場方向分別平行于晶體ca軸的光電導實部。(c) 兩個偏振方向光電導實部對光子能量的積分S。兩條虛線的能量位置分別對應兩個偏振方向的屏蔽等離子頻率。(d) 屏蔽等離子頻率處的光電導實部積分S隨溫度的變化。因光電導實部的積分正比于n/m*,該圖中所示的兩個偏振方向的光電導實部積分倒數之間的比值Sc-1/ Sa-1說明載流子濃度n和載流子有效質量m*的各向異性具有較弱的溫度依賴。(e) 從拓展的Drude模型得到的沿兩個偏振方向的散射率之間的比值τc-1/τa-1。(f) 外推至零光子能量的τc-1/τa-1隨溫度的變化。τc-1/τa-1在溫度100 K以下突然增強,與Rc/Ra隨溫度變化的情況一致。
下載附件>> Adv. Mater. 31, 1903498 (2019).pdf
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