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中國科學院物理研究所 EX7組供稿 第93期 2019年12月31日
北京凝聚態物理國家研究中心
新型手性費米子研究取得進展

  凝聚態物理中,如果包圍能帶簡并點的費米面具有非零的陳數,則該簡并點具有手性,在該費米面上的低能準粒子激發可以被看成是的手性費米子。今年初中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心與中國人民大學物理系合作,利用角分辨光電子能譜證實了在CoSi這個手性晶體中,存在新型手性的spin-1和charge-2費米子,并在(001)表面觀測到跨過整個布里淵區的螺旋結構的拓撲表面態【Nature 567, 496 (2019)】。類似的新型手性費米子在RhSi、PtAl等體系也被實驗所確認。

  近日,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心EX7組丁洪研究員,孫煜杰副研究員、T03組翁紅明研究員、南京大學李紹春教授課題組和中國人民大學物理系雷和暢教授課題組多方合作,首先在超高真空中通過氬離子刻蝕和高溫退火的方法(CPB已接收),獲得了原子級平整的單晶表面(見圖1);然后利用掃描隧道顯微鏡/掃描隧道顯微譜(STM/STS)技術對CoSi單晶的多個表面進行了表面準粒子干涉的測量。研究中發現,CoSi的表面態僅存在于(001)和(011)的表面,而在(111)表面上并不存在表面態,完全符合理論預言的手性費米子的投影原則。在從-200 mV到+400 mV的大范圍能量區間,均可以觀測到表面態的信息。除此之外,CoSi表面態準粒子干涉還滿足p相位的旋轉對稱性。更重要的是,隨著能量的改變,表面態在動量空間中呈現獨特的定向轉動特征,同樣顯示出了螺旋性。這些都是手性費米子對應的費米弧表面態的典型特征。通過高能量分辨和高空間分辨的STM測量,作者首次觀測到了費米弧表面態的自旋軌道耦合劈裂,最大處為80 mV左右,位于費米能級以上(見圖2)。這些實驗結果和理論的DFT計算非常吻合,有力地證明了CoSi中非常規手性費米準粒子及對應的費米弧表面態的存在。該工作首次利用掃描隧道顯微鏡的準粒子干涉技術系統地表征了CoSi費米弧表面態,并首次觀測到準粒子散射的螺旋性。相關研究成果以“Quasiparticle Interference Evidence of the Topological Fermi Arc States in Chiral Fermionic Semimetal CoSi”為題于2019年12月20日發表在SCIENCE ADVANCES上(Sci. Adv. 5 (12),eaaw9485(2019))。

  在理論上,這類晶體原子排列的手性相反,會導致螺旋形拓撲表面態的手性相反。最近,中國人民大學物理系夏天龍教授課題組合成了RhSn單晶樣品,與CoSi、RhSi等有相同的空間群P213,但單晶XRD測量表明在不引入籽晶等初始影響條件下生長的RhSn和CoSi單晶天然具有相反的結構手性(圖3a、3b)。 使用角度分辨光發射光譜,中科院物理所EX7組丁洪、錢天和孫煜杰, T03組翁紅明和王志俊研究員等人組成的研究團隊表明RhSn的體電子結構是一致的。通過測量和計算,觀察到明顯的費米弧表面和螺旋形表面譜帶,證實了RhSn中存在手性費米子。值得注意的是,RhSn和CoSi的螺旋性表面帶具有相反的手性,這意味著在具有相反結構手性的晶體中,手性費米子是相反的(圖4)。這個發現證實了動量空間中的手性費米子與實際空間中的手性晶格之間建立了直接聯系。該研究成果以“Chiral fermion reversal in chiral crystals”為題12月3日在線發表于《Nature Communications》,并被編輯推薦為亮點文章(Editors’ highlights)。

  以上工作得到了科技部、基金委、中科院、中央高?;A研究基金、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心的支持,南京大學雙一流建設、科學挑戰計劃、王寬誠教育基金會、北京市自然科學基金委、北京市科委等單位的資助。

相關工作鏈接:
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1056/ab6586
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13435-4
https://advances.sciencemag.org/content/5/12/eaaw9485

圖1.不同終止面的CoSi單晶的準粒子干涉圖案。(A,D,G)CoSi單晶的(001)、(011)和(111)面的原子分辨的STM圖;(B,E,H)實驗獲得的準粒子干涉圖案;(C,F,I)DFT計算的準粒子干涉圖案。
圖2. 手性費米弧表面態的能量色散關系。(A)實驗獲得的001面的準粒子干涉圖案(E = -10 meV);(B)表面態沿著A中黑色環線所切的能量E與散射波矢q的色散關系;(C)與(B)對應的計算模擬結果;(D-G)沿著A中切線1到4所切得的E和q的色散關系
圖3. 單晶XRD測量和理論計算表明CoSi和RhSn之間有相反手性的晶格和費米子
圖4. ARPES測量顯示CoSi和RhSn的螺旋型表面態能帶具有相反的手性
下載附件>> Nat.Commun.5,105505(2019).pdf
下載附件>> Sci. Adv. 5, eaaw9485 (2019).pdf
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