清華大學物理系：首次實現第二類狄拉克費米子

【成果簡介】

最近，清華大學物理系周樹云、段文暉和吳楊等研究人員首次在1T對稱性的二維層狀材料PtTe₂中觀測到了第二類狄拉克費米子存在的直接實驗證據，并進一步發現在晶體結構相同的PtSe₂中同樣存在第二類狄拉克費米子。研究成果以“Lorentz-violating type-II Dirac fermions in transition metal dichalcogenide PtTe₂”為題，在線發表在Nature Communications上。清華大學物理系博士生顏明哲、黃華卿、張柯楠為文章的共同第一作者，物理系周樹云教授、段文暉教授、清華-富士康納米科技中心的吳揚博士為該文的共同通訊作者，清華大學高等研究院的姚宏研究員也為該項研究提供了理論支持。該研究得到國家自然科學基金委、國家科技部、清華大學自主研發項目、清華-富士康納米科技中心、未來芯片技術高精尖創新中心的經費支持。

【圖文導讀】

圖1?狄拉克和外爾半金屬分類圖

圖2 PtTe2面內、面外高對稱方向的電子色散關系

【研究內容】

近年來，拓撲半金屬材料吸引了研究人員的廣泛關注。隨著對材料拓撲屬性的認識的進一步深入，大量新奇量子態（例如狄拉克費米子和外爾費米子）在凝聚態材料中得以實現。由于凝聚態物理中的低能準粒子激發不受洛倫茲不變性的限制，因而可以期望在量子拓撲材料中觀測到粒子物理學標準模型所描述的基本粒子之外的新型準粒子激發，這其中一個典型的例子就是第二類的狄拉克/外爾費米子（type-II Dirac/Weyl fermions）。第二類狄拉克／外爾費米子與第一類的區別，主要體現在狄拉克錐出現在電子波包和空穴波包的交點，因此沿著特定的動量空間發生嚴重傾斜（圖1示意圖）。由于狄拉克費米子可以看作一對手性相反的外爾費米子，因此繼實驗上成功觀測到第二類外爾費米子之后（Nat. Phys. 12, 1105 (2016)），研究人員對能否在實驗上實現第二類狄拉克費米子產生了濃厚的興趣。

與第二類外爾半金屬相比，第二類狄拉克半金屬具備更多的對稱性。PtTe₂由非磁性元素組成，屬于中心對稱的P-3m1空間群，因此同時受到時間反演對稱性、空間反演對稱性以及C_3v晶格對稱性保護保護。實驗所必須的大面積、高質量的PtTe₂單晶樣品通過自溶劑法在清華富士康納米科技中心制備。周樹云研究組利用角分辨光電子譜對PtTe₂單晶樣品的能帶開展了系統性的研究。實驗結果表明，PtTe₂在Gamma-A方向上存在一對沿kz方向嚴重傾斜的三維狄拉克錐，直接從實驗上證實第二類狄拉克費米子的存在。同時段文暉研究組的第一性原理計算也為第二類狄拉克費米子提供了有力的理論支持。由于第二類狄拉克半金屬處于拓撲相變的臨界點，通過磁性摻雜或者外加應力破壞時間反演對稱性或者空間反演對稱性，為從實驗上實現從第二類狄拉克半金屬到第二類外爾半金屬或者拓撲晶體絕緣體的轉變提供了可能的實驗依據。

原文鏈接：http://www.phys.tsinghua.edu.cn/publish/phy/5282/2017/20170822202317532383540/20170822202317532383540_.html。

文獻鏈接：Lorentz-violating type-II Dirac fermions in transition metal dichalcogenide PtTe2（Nature Communications，2017，DOI： 10.1038/s41467-017-00280-6）

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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