物理系研究人员首次实现第二类狄拉克费米子

 

近年来,拓扑半金属材料吸引了研究人员的广泛关注。随着对材料拓扑属性的认识的进一步深入,大量新奇量子态(例如狄拉克费米子和外尔费米子)在凝聚态材料中得以实现。由于凝聚态物理中的低能准粒子激发不受洛伦兹不变性的限制,因而可以期望在量子拓扑材料中观测到粒子物理学标准模型所描述的基本粒子之外的新型准粒子激发,这其中一个典型的例子就是第二类的狄拉克/外尔费米子(type-II Dirac/Weyl fermions)。第二类狄拉克/外尔费米子与第一类的区别,主要体现在狄拉克锥出现在电子波包和空穴波包的交点,因此沿着特定的动量空间发生严重倾斜(图1示意图)。由于狄拉克费米子可以看作一对手性相反的外尔费米子,因此继实验上成功观测到第二类外尔费米子之后(Nat. Phys. 12, 1105 (2016)),研究人员对能否在实验上实现第二类狄拉克费米子产生了浓厚的兴趣。最近,物理系周树云、段文晖和吴杨等研究人员首次在1T对称性的二维层状材料PtTe2中观测到了第二类狄拉克费米子存在的直接实验证据。

 

图1:狄拉克和外尔半金属分类图

 

与第二类外尔半金属相比,第二类狄拉克半金属具备更多的对称性。PtTe2由非磁性元素组成,属于中心对称的P-3m1空间群,因此同时受到时间反演对称性、空间反演对称性以及C3v晶格对称性保护保护。实验所必须的大面积、高质量的PtTe2单晶样品通过自溶剂法在清华富士康纳米科技中心制备。周树云研究组利用角分辨光电子谱对PtTe2单晶样品的能带开展了系统性的研究。实验结果表明,PtTe2在Gamma-A方向上存在一对沿kz方向严重倾斜的三维狄拉克锥,直接从实验上证实第二类狄拉克费米子的存在。同时段文晖研究组的第一性原理计算也为第二类狄拉克费米子提供了有力的理论支持。由于第二类狄拉克半金属处于拓扑相变的临界点,通过磁性掺杂或者外加应力破坏时间反演对称性或者空间反演对称性,为从实验上实现从第二类狄拉克半金属到第二类外尔半金属或者拓扑晶体绝缘体的转变提供了可能的实验依据。

 

 

图2:PtTe2面内、面外高对称方向的电子色散关系


        该研究成果以“Lorentz-violating type-II Dirac fermions in transition metal dichalcogenide PtTe2”为题,在线发表在2017年8月15日的《自然·通讯》(Nature Communications)杂志(DOI: 10.1038/s41467-017-00280-6)。同时,我们进一步发现在晶体结构相同的PtSe2中同样存在第二类狄拉克费米子,相关理论和实验工作相继发表在近期Physical Review B上。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、清华-富士康纳米科技中心、未来芯片技术高精尖创新中心的经费支持。清华大学物理系博士生颜明哲、黄华卿、张柯楠为文章的共同第一作者,物理系周树云教授、段文晖教授、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,清华大学高等研究院的姚宏研究员也为该项研究提供了理论支持。

全文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-00280-6.pdf