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2020年1月22日
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物理學院李紹春課題組利用掃描隧道顯微學技術證實CoSi表面的手性費米弧表面態

欧美高清videosedexohd近日,南京大學物理學院李紹春教授課題組在拓撲半金屬材料研究中取得了重要進展。該團隊利用掃描隧道顯微技術驗證了CoSi中手性費米準粒子及其對應的費米弧表面態的存在,并首次觀測到表面態的自旋軌道耦合劈裂。相關研究成果以“Quasiparticle Interference Evidence of the Topological Fermi Arc States in Chiral Fermionic Semimetal CoSi”為題于2019年12月20日發表在Science Advances上{Sci. Adv. 5 (12),eaaw9485(2019)}。

宇宙中一共存在三種基本的費米粒子,分別是狄拉克、外爾和馬約拉那費米子。手性費米子也可以在“固體宇宙”中以低能激發的準粒子形式存在。由于晶格的對稱性低于高能物理中的龐加萊對稱性,可以預期在固體中能夠觀察到更多的費米子類型。固體中手性費米子的一個基本特征就是費米弧表面態,連接于這些手性費米子在表面布里淵區的投影點之間。這些費米弧表面態不僅反映了材料本身的非平庸拓撲性質,而且還具有許多新奇的物理性質,例如手性磁效應,量子化圓形光電流效應等。觀察費米弧表面態已經成為驗證材料體拓撲性質的一個重要標志。陳數為±1的常規外爾費米子是固體材料中第一個發現的手性費米準粒子,它總是成對出現。然而,由于常規外爾費米子的費米弧通常較短,實驗上很難分辨,而且其本身的物理性質也不易探測。

最近,理論上預言了CoSi體系中存在陳數大于1的非常規手性費米準粒子。由于受到非簡單空間群(nonsymmorphic space group)的對稱性保護,CoSi中的手性“費米子”總是起始于布里淵區中的高對稱點處,從而導致費米弧表面態跨越了整個布里淵區。另外,連接費米弧的兩個手性費米子也可以具有不同的能量,導致了費米弧表面在相對比較大的能量窗口內都具有可觀測性。由于這些優于常規外爾費米子的性質,CoSi系列材料吸引了國際上的廣泛關注。最近已有角分辨光電子能譜的相關研究報道,然而費米面以上的費米弧信息依然缺失。自旋軌道耦合導致的費米弧劈裂也至今沒有被實驗證實。

欧美高清videosedexohd理論計算表明,在考慮自旋軌道耦合的情況下,布里淵區中的高對稱點Γ和R存在多重簡并點,即四重簡并的spin-3/2 RSW點和六重簡并double spin-1 Weyl點。在CoSi單晶的(001)和(011)表面上,由于Γ和R投影到不同的位置,導致費米弧表面態的存在;而在(111)表面上,由于Γ和R投影到相同的位置,導致無費米弧表面態的存在(見圖1)。

欧美高清videosedexohd在該工作中,作者首先在超高真空中通過氬離子刻蝕和高溫退火的方法,獲得了原子級平整的單晶表面(見圖2);然后利用掃描隧道顯微鏡/掃描隧道顯微譜(STM/STS)技術對CoSi單晶的多個表面進行了表面準粒子干涉的測量。研究中發現,CoSi的表面態僅存在于(001)和(011)的表面,而在(111)表面上并不存在表面態,完全符合理論預言的手性費米子的投影原則。在從-200 mV到+400 mV的大范圍能量區間,均可以觀測到表面態的信息。除此之外,CoSi的表面態還滿足p相位的旋轉對稱性。隨著能量的改變,表面態在動量空間中呈現獨特的定向轉動特征。這些都是手性費米子對應的費米弧表面態的典型特征。更重要的是,通過高能量分辨和高空間分辨的STM測量,作者首次觀測到了費米弧表面態的自旋軌道耦合劈裂,最大處為80 mV左右,位于費米能級以上(見圖3)。這些實驗結果和理論的DFT計算非常吻合,有力地證明了CoSi中非常規手性費米準粒子及對應的費米弧表面態的存在。該工作首次利用掃描隧道顯微鏡的準粒子干涉技術系統地表征了CoSi費米弧表面態,不僅證實了體系的非常規手性拓撲性質,而且也為后續探索手性費米子相關的新奇物理及應用提供了一個新的平臺。

欧美高清videosedexohd圖1.CoSi單晶的晶體結構和電子結構。(A)CoSi的晶格結構;(B)CoSi的倒易布里淵區;(C)考慮SOC的體能帶的DFT計算結果;(D)CoSi中多重簡并點的示意圖;(E-G)CoSi單晶的(001)、(011)和(111)面的表面布里淵區和費米弧的示意圖。

圖2.不同終止面的CoSi單晶的準粒子干涉圖案。(A,D,G)CoSi單晶的(001)、(011)和(111)面的原子分辨的STM圖;(B,E,H)實驗獲得的準粒子干涉圖案;(C,F,I)DFT計算的準粒子干涉圖案。

圖3.手性費米弧表面態的能量色散關系。(A)實驗獲得的001面的準粒子干涉圖案(E = -10 meV);(B)表面態沿著A中黑色環線所切的能量E與散射波矢q的色散關系;(C)與(B)對應的計算模擬結果;(D-G)沿著A中切線1到4所切得的E和q的色散關系

該工作是由南京大學李紹春課題組和多個研究團隊合作完成的。中國人民大學的雷和暢課題組生長了CoSi單晶樣品,中科院物理所的孫煜杰和丁洪課題組通過超高真空表面處理技術獲得了原子級平整的單晶表面,中科院物理所的翁紅明課題組完成了第一性原理計算部分。南京大學物理學院博士生袁茜茜為論文的第一作者,中國科學院物理所博士生周麗琴為共同第一作者。南京大學物理學院李紹春教授和中國科學院物理所翁紅明研究員、孫煜杰副研究員為共同通訊作者。南京大學為論文的第一單位。

該工作得到了固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心的支持,南京大學雙一流建設、國家自然科學基金委和科技部量子調控項目等項目的資助,在此表示感謝!

文章鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/5/12/eaaw9485

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