中國科大在新型拓撲材料外爾半導體的實驗發現中取得原創性進展 2020-05-14

在新型量子材料中,具有特殊能帶結構的拓撲材料也兼具新奇電子輸運特性。相關研究不僅可以加深對于拓撲物態的理解,更有望推動新型高性能電子學器件的發展。一個典型的代表是目前引起廣泛關注的外爾半金屬體系,其輸運研究往往表現出超大非飽和磁阻、平行磁場下的負磁阻效應、平面霍爾效應等諸多特性,而表面外爾弧更是提供了高遷移率和低功耗的電子學通道。這些特性都源自費米面附近外爾費米子的存在。

迄今為止,對于外爾費米子以及外爾物理的研究都局限于半金屬體系。然而從器件應用角度,半導體相對于半金屬有其獨特的價值。近日,中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心和物理系中科院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授研究組與王征飛教授研究組實驗與理論合作,首次在單元素半導體碲中發現了由外爾費米子主導的手性反常現象以及以磁場對數為周期的量子振蕩,成功將外爾物理拓展到半導體體系。該研究成果以“Magneto-transport signatures of Weyl physics and discrete scale invariance in the elemental semiconductor tellurium為題,于2020512日在線發表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》(PNAS)上(DOI: 10.1073/pnas.2002913117)。

碲是一種窄能帶半導體,由于空間反演對稱性破缺以及相應的強自旋軌道耦合,在價帶頂附近存在能帶交叉的外爾點。該團隊通過物理氣相沉積法制備出高質量碲單晶,其空穴自摻雜特性使費米能級處于價帶頂,進而顯著增強了外爾費米子對輸運性質的影響。低溫輸運研究進一步揭示了碲單晶表現出由于手性反常導致的典型磁輸運特征,包括磁場平行于電流方向時的負磁阻效應,以及磁場在樣品平面時發生的平面霍爾效應。借助于合肥中科院強磁場科學中心以及武漢國家脈沖強磁場科學中心的強磁場裝置,該團隊更進一步發現了罕見的以磁場對數為周期的磁阻和霍爾電阻量子振蕩。這種新型量子振蕩是自相似的離散標度不變性的體現,可以歸因于碲晶體中精細結構常數(7.5)遠大于真空取值(1/137)從而使外爾費米子與異性電荷中心形成共振態形式的準束縛態。

該工作首次實現了將新奇拓撲屬性和半導體屬性有機結合的“拓撲外爾半導體”。如果把費米能級從價帶調到能隙,會發生金屬-絕緣體轉變,并伴隨拓撲非平庸態到平庸態的轉變,這一外爾半導體獨有的特性不存在于外爾半金屬。外爾半導體的發現為設計新型拓撲半導體器件提供了新思路。

圖:a. 外爾半導體能帶結構示意圖,圓圈表示外爾點。b. 手性反常導致的負磁阻效應。c.d. 強磁場下觀測到的以磁場對數為周期的磁阻振蕩行為。

合肥微尺度物質科學國家研究中心和物理系曾長淦教授、王征飛教授和李林特任副研究員為論文共同通訊作者,博士生張南、趙贛和李林特任副研究員為論文共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金、科技部、中科院以及安徽省的資助。

文章鏈接:https://www.pnas.org/content/early/2020/05/11/2002913117


(合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中科院量子信息與量子科技創新研究院、 科研部)


     
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