合肥研究院：拓撲半金屬材料研究中取得進展

【成果簡介】

近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員田明亮課題組在拓撲半金屬材料研究方面取得新進展。相關研究結果以Extremely large magnetoresistance in topological semimetal candidate pyrite PtBi₂為題發表在近期的美國物理學會期刊Physical Review Letters上。該研究工作受到國家自然科學基金項目、百人計劃項目以及國家重點研發計劃項目資助。

【圖文導讀】

圖1?立方PtBi₂的電輸運性能。在33T磁場下其磁電阻高達1.12×107%

（a）PtBi₂在不同的溫度下，且垂直于高（111）對稱面和電流的不同場強大小下的MR；

?（b）作為不同溫度下反磁場函數的SdH振蕩Δρ_xx，插圖顯示了高磁場下振蕩峰值的塞曼分裂；

（c）不同溫度下SdH振蕩的FFT圖譜；

（d）振蕩分量在不同溫度下的振幅；

?（e）從SdH振蕩提取出的作為反向場的函數Landau等級指數。

圖2?立方PtBi₂的能帶結構和費米面。費米面附近存在三種有效質量不同的載流子

（a）黃鐵礦型PtBi₂的起始帶結構；

（b）黃鐵礦型PtBi₂的散體費米面；

（c）由黃鐵礦型PtBi₂構成的半金屬的示意圖。

【研究內容】

拓撲狄拉克半金屬是目前凝聚態和材料科學領域研究的前沿，在未來低能耗電子學器件應用上具有潛在價值。由于其電子能帶具有三維的狄拉克錐結構，可視為“三維石墨烯”。在接近能帶的狄拉克點，載流子具有很高的遷移率并表現出超大的線性磁電阻效應等。最近理論工作預言，在立方PtBi₂中可能存在非平庸的能帶結構，是一種新的拓撲半金屬材料。強磁場中心副研究員朱相德經過反復探索，成功合成出高質量PtBi₂單晶樣品，其低溫下剩余電阻比高達1700。

課題組博士研究生高文帥和研究員寧偉利用穩態強磁場實驗裝置，系統研究了半金屬立方相PtBi₂單晶的高場磁電阻行為，發現在33T磁場下的磁電阻高達1.12×107%且沒有達到飽和，超過目前已知的其他拓撲半金屬材料中觀察到的最大磁阻。

高磁場下的Shubnikov de Hass量子振蕩實驗研究發現，立方PtBi₂表現出高載流子遷移率（~105cm²V^-1s^-1）和超大的磁電阻效應，而且存在非平庸的貝里相位，屬于新一類拓撲狄拉克半金屬材料。強磁場中心研究員郝寧寧以及北京應用物理與計算數學研究所副研究員鄭法偉通過第一性原理方法，從能帶計算上確認了PtBi₂中存在狄拉克點，且費米面附近存在三種有效質量不同的載流子，與實驗結果一致。　　

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201707/t20170704_4607335.shtml。

文獻鏈接：Extremely Large Magnetoresistance in a Topological Semimetal Candidate Pyrite PtBi2（Physical Review Letters，2017，DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.256601）

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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