物質學院陳宇林-柳仲楷課題組實現拓撲半金屬電子結構原位人工調控

時間:2019-08-21浏覽:12設置

近日,我校物質學院陳宇林-柳仲楷課題組在拓撲外爾半金屬的電子結構人工調控研究中取得重要進展:采用表面修飾的方式,首次實現外爾半金屬表面費米弧的原位操縱並直接觀察到拓撲Lifshitz轉變。目前該成果以“Topological Lifshitz transitions and Fermi arc manipulation in Weyl semimetal NbAs”爲題,在知名學術期刊《Nature Communications》上在線發表。

拓撲外爾半金屬是近年來發現的重要拓撲量子材料之一。它具有奇特的拓撲電子能帶結構:該種材料的體內導帶和價帶線性接觸形成 (成對出現具有手性的外爾點,不同手性的外爾點由奇特的拓撲表面費米弧(非封閉的費米面)所連接。這些非平庸的拓撲能帶結構能導致一系列重要的物理現象,包括手性反常、三維量子霍爾效應、非局域電壓産生效應等。爲了研究外爾半金屬的拓撲性質和有效實現其器件的開發應用,對其拓撲電子結構進行人工調控至關重要。

在此次發表的工作中,陳宇林-柳仲楷課題組通過超高真空原位表面修飾(鉀原子)的方式,巧妙實現了拓撲外爾半金屬NbAs表面費米弧的人工調控。表面修飾前後不僅費米弧的形狀和長短發生了顯著變化;更重要的是費米弧所連接的成對外爾點發生了改變,從而導致了拓撲Lifshitz轉變。除此之外,表面修飾還消除了原有的平庸表面態,使得費米面僅僅由體外爾點和拓撲費米弧所構成。這些改變不僅對調控拓撲電子輸運現象與非原位電磁效應提供了一個具體的方法,而且還直接驗證了表面費米弧的拓撲穩定性?——即使樣品表面經過修飾導致電子結構發生巨大變化,表面費米弧依然存在,並且始終連接不同手性的外爾點。這個研究結果爲將來基于拓撲半金屬的器件開發及應用提供了一個具有可操作性的重要方向。

該論文中,物質學院楊海峰助理研究員和柳仲楷助理教授、清華大學楊樂仙助理教授、馬普所-固體化學物理所孫岩博士爲共同第一作者,物質學院陳宇林特聘教授爲通訊作者,上海科技大學爲第一完成單位。該研究得到了國家科技部、國家自然科學基金委、上科大啓動經費、中國博士後科學基金等的大力支持。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11491-4


表面修飾導致的NbAs費米弧的拓撲Lifshitz轉變。a. 示意图:外尔半金属費米弧的拓撲Lifshitz轉變; b. 表面修飾導致拓撲Lifshitz轉變的具体能带演变; c. 轉變前后能带的三维展示(感谢物质学院付震霄同学)。


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