复旦大学修发贤课题组发现新型可解离准二维拓扑半金属材料

【引言】

近日，复旦大学物理学系修发贤课题组完成关于新型可解离准二维拓扑半金属材料的工作，发表于《自然·亚洲材料》(NPG Asia Materials 8, e325 (2016))。物理系博士生袁翔和张成为文章共同第一作者,论文的合作者为物理系晏湖根教授。

拓扑半金属材料，由于其卓越的物理特性，如超高的迁移率和可调带隙，在脉冲激光、高频器件、弹道输运器件以及基于手性的新型电池方面有着巨大的应用前景。而研究这些新奇材料的新奇物理特性是实现其应用的前提条件。研究者通过强磁场下的光谱和输运研究，证明五碲化锆材料同时具有拓扑半金属和准二维的特性。拓扑半金属的元激发准粒子，具有线性色散无质量特性的狄拉克费米子，导致其高磁阻，抑制散射，高迁移率等优越的电学特性。另一方面，可解离的二维材料诸如二硫化钼等具有柔性、透明、优异的光学和电学特性等特性，被视为新一代电器和光电设备的候选材料。与著名的石墨烯不同的是，同时具有这两种优异性能是在五碲化锆的体态中发现的。而石墨烯一旦进入双层，准二维的半金属性质会被破坏。由于具备准二维特性，五碲化锆低温电导呈现出量子化现象。理论预言在单层情况下，可以打开能隙实现量子自旋霍尔效应和低能耗传输，这是除HgTe之外的又一优秀材料体系，蕴含着丰富的量子态特性。

【图文导读】

图1： 线性色散形成的朗道能级与允许的光学跃迁。

图2：与根号磁场线性关系回旋共振，无质量费米子的特有现象。

图3：五碲化锆非平庸的拓扑性质和微小的有效质量。

图4：五碲化锆强烈的二维特征和准二维费米面。只有垂直于二维平面的磁场分量才对体系产生影响。

图5：五碲化锆强烈的各项异性。面外方向电子有效质量比面内大两个数量级。

研究人员在强磁场下测量光谱发现了与传统回旋共振不符合的朗道量子化现象，共振频率不与磁场成正比，通过仔细分析，发现了五碲化锆中存在的线性色散。进一步比较输运测量的贝利相位，验证了体系非平庸的拓扑性质。面内极小费米子的有效质量很好的佐证了这一实验结论。通过全角度测试，研究人员发现系统的磁场响应随着角度具有三角函数的关系，证明了体系的二维特性并由体态量子霍尔平台进一步地得到验证。详尽的空间实验具体地描绘出了准二维的费米面。通过比较各角度下的输运数据，发现系统在垂直于二维费米面方向，具有很大的有效质量。

在胶带解离五碲化锆的过程中，研究人员还注意到该材料可以被解离成长宽比过千的纳米带。分析原因是二维层内碲-碲键的作用力也很弱。这就提供了用机械剥离的方法，来获得准一维材料的机会，为研究低维性质提供全新的思路。

课题组自从2013年以来，在新型狄拉克材料砷化镉和五碲化锆的研究方向取得了一定的成果：1)证明砷化镉在打破对称性的情况下发生狄拉克到外尔态的转变（Nature communications 6, 7779 (2015))。这一研究是国际上第一个关于狄拉克半金属磁致相变的实验研究，并从实验上提供了通过破坏晶体对称性产生外尔费米子的直接证据。2) 发现五碲化锆的费米能级比较低，容易进入量子极限，从而产生很强的多体相互作用而引发的自旋密度波相变,使原本无质量的狄拉克电子产生质量（Nature Communications 7, 12516 (2016))。

以上工作获得了复旦大学物理系、应用表面物理国家重点实验室、国家青年千人计划、优秀青年基金等基金委项目的支持。

原文链接： Observation of quasi-two-dimensional Dirac fermions in ZrTe5

修发贤老师简介

修发贤教授主要从事半导体材料，狄拉克材料和器件物理方面的研究。在过去的十余年中，在学术期刊Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, NPG Asia Materials, JACS, Nano Letters等发表SCI论文90余篇。目前的工作重点在于新型狄拉克材料的生长、量子调控以及新型二维原子晶体的器件研究。

基本履历如下：

2007年获得加州大学河滨分校的博士学位。

2008至2011年在加州大学洛杉矶分校电子工程系做博士后研究。

2011年担任爱荷华州立大学电子工程系助理教授。

2012年入选国家青年千人计划，2013年入职复旦大学。

2014年获得优青和浦江人才计划支持。

修老师作品精选

1) J. Cao, S. Liang, C. Zhang, Y. Liu, J. Huang, Z. Jin, Z.-G. Chen, Z. Wang, Q. Wang, J. Zhao, S. Li, X. Dai, J. Zou, Z. Xia, L. Li, F. Xiu*, “Landau level splitting inn Cd₃As₂ under high magnetic fields, Nature Communications 6, 7779 (2015).

2) Yanwen Liu, Cheng Zhang, Xiang Yuan, Lei Tang, Chao Wang, Domeico Di Sante, Awadhesh Narayan, Liang He, Silvia Picozzi, Stefano Sanvito, Renchao Che, Faixan Xiu*, “Gate-tunable quantum oscillations in ambipolar Cd₃As₂ thin films”, NPG Asia Materials 7, e221 (2015).

3) C. Zhang, Y. Liu, X. Yuan, W. Wang, S. Liang, F. Xiu*, “Highly tunable Berry phase and ambipolar filed effect in topological crystalline insulator Pb_1-xSn_xSe”, Nano Letters 15 (3), pp 2161–2167 (2015).

4) Weiyi Wang, Awadhesh Narayan, Lei Tang, Kapildeb Dolui, Yanwen Liu, Xiang Yuan, Yibo Jin, Yizheng Wu, Ivan Rungger, Stefano Sanvito, Faxian Xiu*, “Spin-valve Effect in NiFe/MoS₂/NiFe Junctions”, Nano Letters 15 (8), pp 5261–5267 (2015).

5) C. Zhang, X. Yuan, K. Wang, Z.-G. Chen, B. Cao, W. Wang, Y. Liu, J. Zou, F. Xiu*, “Observations of a Metal-Insulator Transition and Strong Surface States in Bi_2-xSb_xSe₃Thin Films”, Advanced Materials 26, 7110-7115 (2014).

6) Faxian Xiu*, Liang He, Yong Wang, Lina Cheng, Li-Te Chang, Murong Lang, Guan Huang, Xufeng Kou, Yi Zhou, Xiaowei Jiang, Jin Zou, Alexandros Shailos, and Kang L. Wang*, “Manipulating surface states in topological insulator nanoribbons”, Nature Nanotechnology 6, 216-221(2011).

7) Faxian Xiu, Yong Wang, Jiyoung Kim, Augustin Hong, Jianshi Tang, Ajey P. Jacob, Jin Zou, and Kang L. Wang*, “Electric field controlled ferromagnetism in high Curie temperature Mn_0.05Ge_0.95 quantum dots”, Nature Materials 9 (4), 337-344 (2010).

8) Jingwei Bai, Rui Cheng, Faxian Xiu, Lei Liao, Minsheng Wang, Alexandros Shailos, Kang L. Wang, Yu Huang, and Xiangfeng Duan*, “Observation of very large tunable negative magnetoresistance in graphene nanoribbon field-effect transistors”, Nature Nanotechnology 5, 655-659 (2010).

9) Yanwen Liu, Xiang Yuan, Cheng Zhang, Zhao Jin, Awadhesh Narayan, Chen Luo, Zhigang Chen, Lei Yang, Jin Zou, Xing Wu, Stefano Sanvito, Zhengcai Xia, Liang Li, Zhong Wang, Faxian Xiu*, …”Zeeman splitting and dynamical mass generation in Dirac semimetal ZrTe5“, Nature Communications 7, 12516 (2016).

本文由OH+供稿，材料人网编辑整理，感谢修发贤老师对本稿件的校对指导。

修发贤老师课题组主页：http://www.physics.fudan.edu.cn/tps/people/fxxiu/research/

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