《自然·通讯》报道周树云研究组第二类外尔半金属的拉曼光谱及拓扑相变研究进展

 

近年来,随着凝聚态物理拓扑能带理论和实验的不断发展,越来越多的新奇拓扑材料得以被发现,例如最近备受关注的第二类外尔半金属。在第二类外尔半金属中,存在破坏洛伦兹不变性的外尔费米子-其低能准粒子激发与高能物理中的外尔费米子满足相同的物理规律,但是不遵守洛伦兹不变性。继前期工作从电子能谱测量提供低温相的MoTe_2是第二类外尔半金属的实验证据(Nature Physics 12, 1105 (2016))之后,物理系周树云研究组和清华-富士康纳米科技中心的吴扬博士最近利用拉曼光谱,揭示了该材料的低温相具有空间反演对称性破缺,从而指出该材料体系是一个实现温度诱导的拓扑相变的理想体系。该研究结果以“Raman signatures of inversion symmetry breaking and structural phase transition in type-II Weyl semimetal MoTe_2”为题于2016年12月9日发表在Nature Communication(DOI: 10.1038/ncomms13552)杂志。

 

温度导致的中心对称1T’-MoTe_2到非中心对称Td-MoTe_2的相变。(a) 低温相(深色)和高温相(浅色)的原子结构。(b) 电阻率揭示结构相变的温度。(c) 变温拉曼光谱揭示了低温相由于中心反演对称性破缺导致的同时具有红外活性和拉曼活性的振动模式(A峰和D峰)。

 

实现外尔半金属的一个首要条件是通过时间反演对称性或空间反演对称性的破缺,来实现手性电荷的分离。对于非磁性材料来说,中心反演对称性破缺是一个必不可少的条件。室温相的1T’结构的MoTe_2具有中心反演对称性;虽然该材料在240K发生结构相变,但是低温相的MoTe_2是否破坏了中心反演对称性,仍然缺乏直接的实验证据。最近,周树云研究组及合作者利用高质量的MoTe_2单晶样品开展了系统性的拉曼振动光谱实验,结合第一性原理计算对实验结果进行分析,提供了低温相的MoTe_2是中心反演对称性破缺的实验证据;变温的拉曼光谱实验还进一步给出了相变过程中的中心反演对称性的变化以及相应的原子振动模式信息。这些实验结果从晶体对称性角度支持了低温相Td-MoTe_2是第二类外尔半金属,同时也为进一步理解MoTe_2这一新奇材料体系中的结构相变导致的拓扑相变提供了重要的证据。

该研究得到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的支持。清华大学物理系的周树云和清华-富士康纳米科技中心的吴扬为该文的共同通讯作者,物理系博士生张柯楠和鲍昌华分别为文章的第一和第二作者。北京大学国际量子材料科学中心合作者李源研究组和冯济研究组分别提供了拉曼测量支持和第一性原理计算。

全文链接:http://www.nature.com/articles/ncomms13552