科技進展

上海微系統所在節線型拓撲材料電子結構研究中取得重要進展

  

  上海微系統所信息功能材料國家重點實驗室、山东11选5超導電子學卓越創新中心研究員沈大偉和劉中灝課題組,與北京師范大學教授殷志平課題組以及南京大學教授溫錦生課題組開展合作研究。利用高分辨角分辨光電子能譜實驗技術和第一性原理計算對高質量SrAs3單晶樣品的低能電子結構進行研究,首次實驗直接證實了拓撲半金屬SrAs3中費米能級附近存在極為簡單的節線型環狀(nodal ring)拓撲電子結構。相關論文“Photoemission Spectroscopic Evidence for the Dirac Nodal Line in the Monoclinic Semimetal SrAs3”發表在Physical Review Letters 124,056402 (2020)。   

      節線型拓撲半金屬中存在能帶翻轉導致的一維節線型非平庸拓撲電子態和對應的鼓膜狀表面態。不同于孤立的節點,受拓撲保護的一維節線有各種構型,比如直線型,曲線型,環狀等。當節線靠近費米能級時,材料會表現出更為新奇的物理性質。最近,理論計算發現在SrAs3一類材料(CaP3,SrP3,CaAs3和SrAs3等)的費米能級附近存在極為簡單的nodal ring拓撲電子結構。并且,磁阻和量子震蕩實驗發現手性電子誘導的負磁阻和非平庸貝里相位等節線型拓撲電子態存在的實驗證據。但是,仍然欠缺最為直接的電子能譜實驗證據。

  該工作利用角分辨光電子能譜實驗技術,通過改變光子能量,在低能量光子下(?10-20 eV)直接觀測到了SrAs3材料中布里淵區Y點附近費米能級附近的nodal ring拓撲電子結構。第一性原理計算表明,該nodal ring是由As的4p軌道能帶翻轉導致,受到空間、時間對稱性和晶面對稱性的保護。該材料費米能級附近電子結構極為簡單干凈,即只存在一個nodal ring構成的費米面,與其他拓撲平庸的能帶無相互干涉。所以該研究表明SrAs3一類材料是研究節線型拓撲量子態及其新奇輸運性質的理想平臺。另外,該研究過程中發現As 4p軌道散射截面對光電子能譜強度有著重要影響,費米能級附近As 4p軌道貢獻的電子結構在低能量光子下才能被清晰的觀測到。這也是以前缺少電子譜學對這類材料研究的原因之一。因此,該研究對光電子譜實驗研究類似材料有著重要借鑒意義。

  博士生宋葉凱和王廣偉為該工作共同第一作者,殷志平,劉中灝和沈大偉為共同通訊作者,上海微系統所為第一單位。本工作獲得了基金委國家重大儀器專項(項目批準號:11227902),面上項目,青年項目,以及國家重點研發計劃等支持。

  論文鏈接: 

圖(aSrAs3晶體原胞結構。(bSrAs3布里淵區。位于Y-G-S平面內的紅色環為nodal ring拓撲電子結構。(c)第一性原理計算的沿高對稱性方向的費米能級附近的能帶結構。Y點附近的As 4p軌道能帶翻轉。(dAs 4p軌道的散射截面。17 eV對應的散射截面比50 eV對應值高出約兩個量級。考慮到光電流強度和散射截面的平方關系,理論上17 eV對應的光電流強度比50 eV對應值高出約四個量級。(e)通過改變光子能量測量的Y點附近nodal ring拓撲電子結構