合肥研究院：拓扑半金属材料研究中取得进展

【成果简介】

近期，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员田明亮课题组在拓扑半金属材料研究方面取得新进展。相关研究结果以Extremely large magnetoresistance in topological semimetal candidate pyrite PtBi₂为题发表在近期的美国物理学会期刊Physical Review Letters上。该研究工作受到国家自然科学基金项目、百人计划项目以及国家重点研发计划项目资助。

【图文导读】

图1 立方PtBi₂的电输运性能。在33T磁场下其磁电阻高达1.12×107%

（a）PtBi₂在不同的温度下，且垂直于高（111）对称面和电流的不同场强大小下的MR；

 （b）作为不同温度下反磁场函数的SdH振荡Δρ_xx，插图显示了高磁场下振荡峰值的塞曼分裂；

（c）不同温度下SdH振荡的FFT图谱；

（d）振荡分量在不同温度下的振幅；

 （e）从SdH振荡提取出的作为反向场的函数Landau等级指数。

图2 立方PtBi₂的能带结构和费米面。费米面附近存在三种有效质量不同的载流子

（a）黄铁矿型PtBi₂的起始带结构；

（b）黄铁矿型PtBi₂的散体费米面；

（c）由黄铁矿型PtBi₂构成的半金属的示意图。

【研究内容】

拓扑狄拉克半金属是目前凝聚态和材料科学领域研究的前沿，在未来低能耗电子学器件应用上具有潜在价值。由于其电子能带具有三维的狄拉克锥结构，可视为“三维石墨烯”。在接近能带的狄拉克点，载流子具有很高的迁移率并表现出超大的线性磁电阻效应等。最近理论工作预言，在立方PtBi₂中可能存在非平庸的能带结构，是一种新的拓扑半金属材料。强磁场中心副研究员朱相德经过反复探索，成功合成出高质量PtBi₂单晶样品，其低温下剩余电阻比高达1700。

课题组博士研究生高文帅和研究员宁伟利用稳态强磁场实验装置，系统研究了半金属立方相PtBi₂单晶的高场磁电阻行为，发现在33T磁场下的磁电阻高达1.12×107%且没有达到饱和，超过目前已知的其他拓扑半金属材料中观察到的最大磁阻。

高磁场下的Shubnikov de Hass量子振荡实验研究发现，立方PtBi₂表现出高载流子迁移率（~105cm²V^-1s^-1）和超大的磁电阻效应，而且存在非平庸的贝里相位，属于新一类拓扑狄拉克半金属材料。强磁场中心研究员郝宁宁以及北京应用物理与计算数学研究所副研究员郑法伟通过第一性原理方法，从能带计算上确认了PtBi₂中存在狄拉克点，且费米面附近存在三种有效质量不同的载流子，与实验结果一致。　　

原文链接：http://www.cas.cn/syky/201707/t20170704_4607335.shtml。

文献链接：Extremely Large Magnetoresistance in a Topological Semimetal Candidate Pyrite PtBi2（Physical Review Letters，2017，DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.256601）

本文由材料人编辑部王冰编辑，点我加入材料人编辑部。

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