美高梅手机版 美高梅手机版登录 狄拉克半金属Cd3As2纳米线中的A-B效应

狄拉克半金属Cd3As2纳米线中的A-B效应



狄拉克半金属在动量空间的三个方向都具有线性的能带色散关系和受拓扑保护的费米弧状表面态,呈现出许多新奇的物理性质,在未来电子学器件中具有潜在的应用前景。然而,由于狄拉克半金属的体态电导很高,输运上很难探测到表面态的性质。

近些年来,在拓扑电子材料研究的前沿领域先后涌现出了包括拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属等多种拓扑非平庸材料,由于其特殊的拓扑电子特性和潜在的应用价值,已成为当今凝聚态物理领域的一个重要研究方向。其中,狄拉克半金属作为一种新颖的量子态,因其体态线性的能带色散关系,而常被比拟为“三维的石墨烯”。同时,理论研究和ARPES实验均表明狄拉克半金属的表面态是由两个手性相反的费米弧组成。因此,狄拉克半金属的表面态既区别于拓扑绝缘体表面的二维狄拉克锥,也区别于外尔半金属表面的开放费米弧,是一种新奇的拓扑表面态。拓扑表面态的研究对于拓扑材料非常重要,并且拓扑电子材料-超导体耦合体系与拓扑量子计算密切相关。然而,通过输运测量研究狄拉克半金属的表面态极具挑战性,这是因为狄拉克半金属体态本身就是具有高迁移率的狄拉克费米子系统,体电导很大,会掩盖来自表面态通道的信号。

北京大学物理学院俞大鹏院士领导的“纳米结构与低维物理”团队在该领域取得系列重要进展。该团队廖志敏研究员等在高晶体质量的狄拉克半金属Cd3As2纳米线中观测到手征反常导致的负磁电阻效应【Nat.
Commun.
6, 10137
(2015)】;并借助于纳米线比表面积大的优势,测量到起源于拓扑表面态输运的π
A-B效应【Nat. Commun. 7, 10769 (2016); 美高梅手机版,Phys. Rev. B 95,
235436(2017)】。

最近,由北京大学物理学院俞大鹏院士领导的“纳米结构与低维物理”研究团队在该领域取得新的重要进展。该团队的廖志敏副教授等利用合成的狄拉克半金属Cd3As2纳米线具有单晶性好、载流子浓度低、比表面积大等优点,在低温输运测量中沿Cd3As2纳米线方向施加连续变化的平行磁场,观察到磁通周期为h/e的电导振荡,即Aharonov-Bohm(A-B)效应。一般认为,当纳米线表面电子的平均自由程大于纳米线截面周长时,一维受限体系在有限边界条件的情况下会出现表面子能带的劈裂,随着磁通的变化,穿过费米能级的表面子能带数发生变化,从而导致电导的振荡。在Cd3As2纳米线中,在较低磁场下A-B振荡的电导峰值出现在整数倍h/e处,而在高磁场下,电导振荡峰值出现在半整数h/e处,出现了相位π的转变,暗示了狄拉克点在磁场下劈裂成两个外尔点的物理过程。实验上通过门电压调制,观察到了由于费米能级的移动而导致的A-B振荡相位的变化,进一步表明观察到的A-B振荡来自于一维受限系统的拓扑表面态。当增加纳米线的直径,使得纳米线截面周长大于电子的平均自由程,A-B效应消失,实验上观测到周期为h/2e的AAS效应。该研究结果对于揭示狄拉克半金属表面态的输运特性具有重要意义。

最近,他们通过输运测量首次在狄拉克半金属Cd3As2纳米线中观测到连续体态和离散表面态耦合产生的Fano共振现象。研究表明直径约为60
nm的Cd3As2纳米线的表面态能带会发生劈裂,通过栅压调制费米能级到一个表面态子能带的带底时,会呈现零偏压微分电导峰;在磁场作用下,由于塞曼效应,零偏压电导峰会发生劈裂,测量得到表面态的朗德因子为32;Fano共振进一步导致零偏压微分电导峰随偏置电压具有非对称的线形,并可能对材料中起源于“外尔轨道”的量子振荡频率产生修正。这项工作对于深入研究拓扑半金属的输运性质,以及设计实现可电学调控的Fano体系有着重要意义。

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狄拉克半金属Cd3As2纳米线中的A-B效应

(a)Cd3As2纳米线中量子限制效应引起的电导振荡;(b)栅压调制的微分电导谱

该研究成果近期发表于Nature Communications 7,
10769(2016)。博士研究生王礼先和李彩珍为并列第一作者,廖志敏副教授为通讯作者。该研究成果得到了量子物质科学2011协同创新中心、介观物理国家重点实验室、北京大学电子显微镜实验室等的大力支持。

该研究工作以“Fano Interference between Bulk and Surface States of a
Dirac Semimetal Cd3As2 Nanowire”为题发表在《物理评论快报》【Physical
Review Letters
, 120, 257701 (2018)】。

论文链接:

北京大学物理学院博士生王硕、林本川是该论文的共同第一作者。这项工作得到科技部重点专项、国家自然科学基金委、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、“2011计划”量子物质科学协同创新中心等支持。

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