物理系研究人员首次从实验上实现了第二类外尔费米子

 

近年来,伴随着凝聚态能带拓扑理论的发展,大量的新奇粒子在新型量子材料中得以实现,其中一个典型的例子是“外尔费米子”(Weyl fermion)。外尔费米子的概念最早在高能物理中提出。近年来研究人员发现在被称为“外尔半金属”(Weyl semimetal)的拓扑材料中,其低能准粒子激发与外尔费米子满足相同的物理规律。有意思的是,高能物理中必须满足的洛伦兹不变性,在凝聚态物理中却不需要遵守。因此,在固体材料中有可能存在不满足洛伦兹不变性的外尔费米子。为了与保持洛伦兹不变性的第一类外尔费米子区别,这类新型的外尔费米子被称为“第二类外尔费米子”,相应的拓扑材料称为“第二类外尔半金属”。第二类外尔半金属具有沿某一方向严重倾斜的狄拉克锥(破坏洛伦兹不变性)和受拓扑保护的非闭合费米弧表面态,以及理论预言的各向异性的磁输运性质等新奇量子现象,因此第二类外尔费米子自从被理论预言后,就引起了研究人员的广泛关注。

 

图1: 第一类和第二类外尔半金属电子结构示意图

 

最有希望实现第二类Weyl费米子的一个材料体系是T_d相的MoTe_2。高质量的MoTe_2单晶,是实验成功的基础,实验测量所需的大面积、高质量的单晶样品的制备在清华-富士康纳米中心完成。研究者结合角分辨光电子能谱(ARPES)和扫描隧道谱(STS)两种互补的表面敏感实验技术,结合第一性原理计算结果,验证了MoTe_2作为第二类外尔半金属的基本特征-严重倾斜的来自于体态的狄拉克锥和来自于拓扑表面态的非闭合费米弧。由于MoTe_2内的外尔点存在于材料的费米能以上,且Weyl点附近大量体能带贡献的态密度的包裹,精细的费米弧表面态分布在空穴和电子能带之间的微小能隙里,使得传统观测第一类外尔点和费米弧的手段不再奏效。周树云研究组结合了自主搭建的四倍频的6.3eV激光光源(对体材料性质敏感)和同步辐射的低能高通量光源(对表面态电子敏感)的角分辨光电子能谱,区分出了体能带和表面态的贡献并锁定了拓扑表面态的位置和色散,成功观测到平庸表面态和空穴体能带间微小能隙中的非闭合费米弧;进一步结合陈曦研究组的扫描隧道谱测量以及张海军的第一性原理计算,确认了该非闭合弧线正是拓扑费米弧。该工作首次直接从实验上完整地证实了T_d相的MoTe_2是第二类Weyl半金属,不仅为凝聚态中实现标准模型奇异粒子建立了新的范本,也为层状材料实现拓扑电子学器件开辟了新的体系。

 

图2: ARPES、STS实验测量结合第一性原理计算得到的拓扑表面态

 

该成果以“Experimental observation of topological Fermi arcs in type-II Weyl semimetal MoTe_2”为题发表于9月5日在线发表在Nature Physics上。清华大学物理系的博士生邓可、万国良和邓鹏同学为论文共同第一作者,清华大学物理系的周树云副教授、陈曦教授和清华-富士康纳米科技中心的吴扬博士为该文的共同通讯作者,南京大学的张海军教授提供了理论计算,清华大学高等研究院的姚宏研究员和物理系段文晖研究组也为该项研究提供了理论支持。该课题是在国家自然科学基金委、国家科技部、清华大学自主研发项目和清华-富士康纳米科技研究中心经费支持下完成。

文章全文链接在http://dx.doi.org/10.1038/nphys3871