物質學院研究團隊與合作者在國際頂尖學術期刊Science發表重要研究成果

ON2019-09-27CATEGORY科研進展

近日,我校物質學院陳宇林-柳仲楷課題組與合作者在新型拓撲量子材料研究中取得重要進展:在鐵磁Kagomé晶格材料Co3Sn2S2中觀測到體態中的Weyl點及表面費米弧等特征拓撲電子結構,從而首次實驗發現了時間反演對稱性破缺的Weyl半金屬。該成果目前以 “Magnetic Weyl semimetal phase in a Kagomé crystal”在國際頂尖學術期刊《科學》(Science)上在線發表。

作為近年來新型拓撲量子材料中重要的一員,拓撲Weyl半金屬蘊含相對論性Weyl準粒子及費米弧表面態等特征電子結構,而這些特征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、非局域電磁響應效應等。這些特質使其成為拓撲量子材料基礎研究及器件應用的優良平臺。為實現Weyl半金屬,材料體系需破缺特定的對稱性,如空間反演或者時間反演對稱性,從而將體態的Dirac費米子分裂成一對手性相反的Weyl費米子。在之前的工作中,陳宇林-柳仲楷課題組研究了空間反演對稱性破缺的第一類Weyl半金屬TaAs家族的系統演化(Nature Physics, 11, 728 (2015), Nature Materials, 15, 27 (2016))和第二類Weyl半金屬MoTe2(Nature Communications, 8, 13973 (2017)),并通過超高真空環境下的表面修飾方式實現了Weyl半金屬表面費米弧的原位調控(Nature Communications 10: 3478 (2019))。

與空間反演對稱性破缺的Weyl半金屬相比,時間反演對稱性破缺的Weyl半金屬有其獨特的優點。例如這類材料最少可以只包含一對Weyl點,從而被譽為Weyl半金屬材料中的“氫原子” (空間反演對稱性破缺的Weyl半金屬最少包含兩對Weyl點)。此簡單性更有利于實現手性反常效應、手性磁效應、顯著的反常霍爾效應甚至量子反常霍爾效應等。同時,時間反演對稱性破缺的Weyl半金屬也是制備自旋電子器件的重要候選材料之一。然而,由于材料制備和實驗表征等諸多困難,在2011年即被理論預言的磁性Weyl半金屬至今一直沒有被證實。

在最近被發現的Co3Sn2S2材料中,低溫(175開爾文)發生的鐵磁相變形成了時間反演對稱性破缺。此外,實驗中觀測到的巨大的霍爾電導和反常的霍爾角,以及第一性原理計算均指出其為磁性Weyl半金屬的可能。在本工作中,研究人員利用先進的同步輻射高分辨角分辨光電子能譜手段,大量的數據積累,在高質量的Co3Sn2S2單晶上完整觀測到了磁性Weyl半金屬的兩大標志性特征:線性色散的Weyl體能帶和連接Weyl點的拓撲表面態費米弧,從而在實驗上首次證實了Co3Sn2S2材料確為時間反演對稱性破缺的Weyl半金屬。此項發現是拓撲Weyl半金屬領域研究的重大突破,也是繼反常量子霍爾效應后,鐵磁與拓撲材料相結合產生新物相的重要呈現。

此項工作由上海科技大學、德國馬普所、牛津大學等單位協作完成,德國馬普所微結構物理分所的劉德發博士后、上海科技大學物質學院的梁愛基博士后、德國馬普所固體化學物理分所/中科院物理所的劉恩克研究員及德國馬普所固體化學物理分所的許秋楠博士后為共同第一作者,物質學院柳仲楷和李剛助理教授參與了實驗和理論的工作,物質學院陳宇林特聘教授為通訊作者。該研究得到洪堡基金會、國家自然科學基金委ME2項目、國家重點研發計劃、清華大學創新科學研究、沃爾夫斯堡-德累斯頓復雜拓撲量子材料杰出集群等項目基金的大力支持。

文章鏈接:https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1282.full

磁性Weyl半金屬Co3Sn2S2。(A)磁性Weyl半金屬及其豐富的近鄰量子態。(B) 時間反演或空間反演破缺使狄拉克費米子(DP)劈裂產生一對手性相反的外爾費米子(WP)以及連接它們的費米弧表面態(SFA)示意圖。(C)Co3Sn2S2中外爾點和費米弧表面態的分布示意圖。(D) 費米弧表面態所形成費米面的理論計算(i)和實驗結果(ii)比較。(E) 費米弧表面態的能帶色散的理論計算(i)和實驗結果(ii)比較。(F)費米面上的Weyl點(i)及其能帶(ii)的三維演示;(ii)中過Weyl點的線性色散為(i)中灰色平面位置所切取,紅色的疊加曲線是理論計算結果。