Nat. Commun.：Weyl半金屬NbAs與多拓撲載體的手性朗道能級

【引言】

最近，Weyl半金屬已經諸多晶體中被發現。通過Weyl半金屬表面的光電子能譜觀察到了具有獨特自旋結構的費米弧，并在磁場下產生了新的回旋軌道。Weyl半金屬中的手征反常也現象已被廣泛觀測到。盡管作為手征異常的一個重要前提，也是Weyl費米子的獨特標志，非常規的手征朗道能級還沒有被探測到。

【成果簡介】

近日，來自復旦大學的修發賢（通訊作者）和晏湖根（共同通訊作者）的團隊在Nat. Commun.發表了題為Chiral Landau levels in Weyl semimetal NbAs with multiple topological carriers的文章，報道了Weyl半金屬NbAs中朗道量子的磁光學研究。高磁場驅使系統朝向量子極限，觀察到兩個不等價的Weyl節點中的第零手征朗道能級，與其他朗道能級相比，第零手征朗道能級在磁場方向上表現出明顯的線性色散，并允許光學躍遷不受零動量的限制。研究結果提供了Weyl費米子中手性朗道能級的證據，并展示了磁光譜是研究復雜拓撲系統的有效工具。該課題組袁翔是第一作者，來自于清華的嚴忠波和復旦的宋超宇是該文章的共同一作。

【圖文導讀】

圖1：材料特性和磁光譜

a: NbAs體心四方結構；

b: 單晶XRD譜圖，顯示NbAs單結晶的（001）晶面；

c: 磁光實驗裝置的示意圖；

d: 不同磁場下NbAs的磁光譜。

圖2：光學躍遷

a: 遠紅外范圍躍遷能量與B^1/2的關系；

b: 來自實驗（黑色）和擬合（紅色）的歸一化反射數據；

c: Weyl費米子中的朗道能級色散；

d: 躍遷能量與朗道指數；

圖3：量子極限和手征朗道能級

a-b: 縱向磁阻，磁場分別高達60T和10T，對于兩個Weyl節點，在12T和19T處達到量子極限，插圖顯示了實驗裝置的示意圖；

c: 朗道能級圖， 朗道指數是針對1/B繪制的，電阻率峰代表整數朗道指數；

e-f: W1和W2的朗道能級色散的示意圖。

圖4：大量費米子具有不同拓撲性質的朗道能級圖

a: 諧振能量與磁場的關系；

b: 反轉和正常間隙情況下的朗道能級圖；

c: 分別為b和c中最低兩個光學躍遷的頻率對B與B^1/2關系。

圖5：大量費米子具有不同拓撲性質的朗道風扇圖

NbAs中總結的準粒子的朗道量子化，虛線是費米能級，箭頭表示允許的光學躍遷，紅色和藍色分別表示Weyl節點1和Weyl節點2的轉變，綠色和灰色分別表示有無電子帶反轉帶隙電子帶的躍遷。

【小結】

該團隊通過磁光譜學研究了NbAs中多個譜帶的準粒子動力學。利用在高磁場下磁光譜手段探測朗道能級的優勢，非常規的光學躍遷揭示了第零手征朗道能級的存在。有限散射有助于增強手征朗道能級的光學躍遷。此外，發現兩個不等價的Weyl節點具有不同的費米速度，擬合光學躍遷的磁場依賴性揭示了費米速度較高的NbAs中的Weyl節點具有更強的粒子空穴不對稱性。對Weyl費米子和大量費米子之間的朗道量子化進行比較，進一步驗證第零手征朗道能級的獨特特征。

文獻鏈接：Chiral Landau levels in Weyl semimetal NbAs with multiple topological carriers（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04080-4）

【課題組簡介】

晏湖根課題組主要從事低維和量子材料的光譜研究，特別是新奇材料在遠紅外及紅外區域的光學性能及磁光響應。近年來，課題組在石墨烯等離激元學、黑磷的能帶結構和能帶調控、二維材料的激子以及拓撲半金屬的磁光特性等領域取得多項進展。”

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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