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进展 | 强磁场下紅外光譜研究ZrTe5体态能带反转取得进展
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天津市能譜科技有限公司

时间: 2017-12-30 浏览量: 276

拓撲量子材料由于具有奇異的電子性質,以及在自旋電子學器件和量子計算等領域廣闊的應用前景受到人們廣泛關注。已知的拓撲量子材料包括拓撲絕緣體、Dirac半金屬、拓撲節線半金屬和外爾半金屬等諸多材料體系。其中,本征的拓撲絕緣體具有拓撲非平庸的絕緣體態以及受時間反演對稱性保護的金屬表面態。至今,拓撲絕緣體的實驗證據大部分來自對金屬表面態的測量。


作爲拓撲絕緣體非平庸體態的特征之一,體態導帶和價帶能帶性質的反轉很少被實驗直接探測到。理論研究表明,拓撲絕緣體體態能帶性質的反轉會導致由體態導帶底和價帶頂分別演化而來的兩個第零朗道能級在某個臨界磁場相交,而對于拓撲平庸的絕緣體,其體態的兩個第零朗道能級之間的能量間距隨磁場的增加而增大,因此,體態導帶和價帶的兩個第零朗道能級在某個臨界磁場相交是拓撲絕緣體體態導帶和價帶能帶性質反轉的一個重要特征。



图1 (A) 拓扑平庸绝缘体到拓扑绝缘体的拓扑量子相变以及拓扑平庸绝缘体和拓扑绝缘体的两个第零朗道能级随磁场演化的示意图。(B) ZrTe5的晶体结构示意图。


ZrTe5是一种兼具一维链状和二维层状结构特点的van der Waals材料。理论预言该材料的三维晶体为拓扑绝缘体(见H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 011029 (2015))。为进一步实验确认ZrTe5是否为拓扑绝缘体,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件物理重点实验室EX1组谌志国“百人计划”特聘研究员与北京大学量子材料科学中心王楠林教授、美国Brookhaven国家实验室顾根大教授、李强教授、武汉大学物理科学与技术学院余睿教授等人合作,利用强磁场下紅外光譜研究了ZrTe5体态朗道能级间跃迁的光学响应。他们在ZrTe5的相对透射谱(磁场下透射率相对于零磁场透射率T(B)/T(B0))中观察到一系列带内和带间朗道能级跃迁的吸收特征。当磁场较小时(B ≤ 4 T),测得的带内和带间跃迁能量线性依赖于磁场的根号,且带间朗道能级跃迁能量线性外延至零磁场时不为零。此外,ZrTe5在零磁场下的光学吸收系数线性依赖于光子能量,但在低能量范围偏离了与光子能量的线性关系。这些均表明ZrTe5中存在能带色散为准线性的三维有质量Dirac费米子。利用三维有质量Dirac费米子模型拟合朗道能级跃迁能量与磁场间的关系得到ZrTe5中色散均为准线性的导带和价带间的能隙约为10 meV。当磁场足够高时,ZrTe5中的塞曼效应不可忽略,其朗道能级跃迁对应的吸收特征发生劈裂。通过研究强磁场下与两个第零朗道能级相关的光学跃迁能量和磁场的关系,他们发现:


  1. 当磁场B ≤ 17 T时,与两个第零朗道能级相关的光学跃迁为带间跃迁。

  2. 而当B > 17 T时,与两个第零朗道能级相关的光学跃迁转变为带内跃迁。


由于ZrTe5的两个第零朗道能级相交会导致这两个第零朗道能级上电子(或空穴)的占据情况发生互换,因此在临界磁场B ≈ 17 T,与两个第零朗道能级相关的带间跃迁转变为带内跃迁。与两个第零朗道能级相关的光学跃迁类型的转变表明ZrTe5的两个第零朗道能级在临界磁场B ≈ 17 T相交,其体态能带性质存在反转。强磁场下紅外光譜揭示的体态能带性质反转以及三维有质量Dirac费米子为指认ZrTe5是拓扑绝缘体提供了重要的实验证据。



图2 (A) ZrTe5带间朗道能级跃迁的吸收特征。(B) ZrTe5带内朗道能级跃迁的吸收特征。(C) 带间朗道能级跃迁能量的平方与磁场的关系。(D) 带内朗道能级跃迁能量的平方与磁场的关系。(E) 带间和带内朗道能级跃迁示意图。(F) ZrTe5在零磁场下的光学吸收系数谱。(G) ZrTe5与两个第零朗道能级相关的跃迁吸收特征在强磁场下的劈裂。绿点为与两个第零朗道能级相关的带间朗道能级跃迁能量与磁场的关系。灰点为与两个第零朗道能级相关的带内朗道能级跃迁能量与磁场的关系。(H) 与两个第零朗道能级相关的带间(绿色箭头)和带内(灰色箭头)朗道能级跃迁的示意图。


该工作得到了中国科学院“率先行动”百人计划、科技部国家重点研发计划(项目号2016YFA0300600),国家自然科学基金(项目号11120101003和11327806)和科技部973项目(项目号2012CB821403)等项目的支持。该研究相关成果通过直接投稿(Direct Submission)发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)【Zhi-Guo Chen*, R. Y. Chen, R. D. Zhong, John Schneeloch, C. Zhang, Y. Huang, Fanming Qu, Rui Yu, Q. Li, G. D. Gu and N. L. Wang*, “Spectroscopic evidence for bulk-band inversion and three-dimensional massive Dirac fermions in ZrTe5”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114, 816-821 (2017)】。

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