復旦大學修發賢課題組：在拓撲半金屬低維結構中首次觀測到量子霍爾效應

【成果簡介】

近日，復旦大學物理學系修發賢教授課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中探測到由表面態費米弧和體態手性能級構成的一種新型電子回旋軌道-外爾軌道，并首次發現其在強場下的量子霍爾效應。11月2日，相關研究成果以“Evolution of Weyl orbit and quantum Hall effect in Dirac semimetal Cd₃As₂”為題在線發表于Nature Communications。該工作是在中國科學院強磁場科學中心、美國國家強磁場實驗室（NHMFL）等單位提供的強磁場條件下完成的，愛爾蘭都柏林三一學院（Trinity College）的Stefano Sanvito教授和Awadhesh Narayan博士提供了理論支持，修發賢教授為通訊作者，課題組博士生張成為第一作者。

【圖文導讀】

圖1 狄拉克半金屬砷化鎘的外爾軌道以及量子霍爾效應

圖2 Cd₃As₂納米板的量子霍爾效應

（a）樣品＃7中磁場對R_xx（藍色）和R_xy（紅色）的影響；

（b） R_xx（藍色）和R_xy（紅色）與1 / B的關系。

【研究內容】

近幾年拓撲半金屬的興起使得能帶的拓撲分類由絕緣體拓展到了半金屬。其低能態電子激發符合所謂的外爾方程，對應的準粒子屬于無質量且有手性的外爾費米子，母體材料被稱為外爾半金屬。本次研究的狄拉克半金屬砷化鎘可被看成是相反手性外爾點在倒空間簡并的一種特殊的外爾半金屬，它們被統稱為拓撲半金屬。拓撲半金屬有很多新奇的物理性質，比如體態能帶是線性色散，使得載流子遷移率非常高，并且具有超大的磁阻，在外場下出現的手性異常。修發賢課題組近年在拓撲半金屬領域中關于這些新奇特性做了大量研究工作。

除此之外，拓撲半金屬還具有一個重要特征-費米弧表面態。常規的沒有達到布里淵區邊界的費米面都是閉合的，而這里的費米弧則是一段非閉合曲線。這一獨特性質在研究中通常被當作確認拓撲半金屬的重要指標，在光電子能譜實驗中有大量應用。在磁場下，普通能帶的電子在倒空間會沿著費米面截面的閉合曲線做回旋運動，而對于費米弧而言，其兩個端點最終連接的是體態的外爾點，因此正常情況下不會形成回旋軌道。加州大學伯克利分校的Ashvin Vishwanath小組提出如果在低維體系中，上下表面的費米弧能在磁場下耦合起來形成閉合回路，用于連接的正是同樣穿過外爾點的體態手性能級，就如同在晶體中構建了一個連接不同表面的蟲洞，能讓電子發生自由隧穿。這一理論在2016年被一實驗課題組通過測量對應耦合軌道的量子振蕩所驗證。

此次的研究工作則進一步研究耦合軌道面積和體態費米波矢依賴關系，從另一個角度證明了外爾軌道的機制。更重要的是，本次實驗所生長的高質量砷化鎘納米晶體相比之前研究中的塊材具有極低的費米面，在強磁場下能突破體態的量子極限并將表面電子態處于較低的朗道能級。出乎意料的是這一耦合軌道在實驗中呈現出了量子霍爾效應。常規來說，量子霍爾效應只發生在二維體系，而此處的外爾軌道具有沿磁場方向的體態運動，發生在第三個維度。對此，實驗現象反過來說明通過手性能級的體態過程也是個無耗散的輸運，并且樣品的尺寸限制效應導致了對應體態的輸運模式是有限的。根據量子霍爾電阻隨磁場的演變，電子態的一些關鍵參數比如簡并度、費米弧長度等也被分析獲取，對后續的深入研究起到了很好的推動作用。物理上而言，這個發現具有重大意義，它將量子霍爾態首次引入到拓撲半金屬，并證明手性能級的無耗散輸運，將會把外爾軌道的研究推上了一個新的高度和理論深度。

在論文發表過程中，南方科技大學物理系盧海舟課題組也同時在理論上提出基于外爾軌道的三維量子霍爾效應（Phys. Rev. Lett. 119, 136806 (2017)）。

修發賢課題組主要從事拓撲狄拉克材料的生長、量子調控以及新型二維原子晶體的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的制備與表征。在二維材料的器件方面主要研究其電學、磁學和光電特性。本工作獲得了復旦大學物理學系、應用表面物理國家重點實驗室、國家青年千人計劃、國家重點研發計劃、基金委優秀青年基金和面上項目的大力支持。

原文鏈接：http://news.fudan.edu.cn/2017/1102/44641.html。

文獻鏈接：Evolution of Weyl orbit and quantum Hall effect in Dirac semimetal Cd3As2（Nature Communications，2017，DOI: 10.1038/s41467-017-01438-y）

本文由材料人編輯部王冰編輯，點我加入材料人編輯部。

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