拓扑半金属输运性质研究
发布时间：2021-02-15 12:21
拓扑半金属是继拓扑绝缘体之后备受关注的新型拓扑材料。根据费米面中包裹的磁单极子,拓扑半金属可分为狄拉克半金属、外尔半金属、节线半金属和三重简并半金属等。中国科学院物理研究所的方忠、戴希和翁红明等人先后在理论上预言Na3Bi和Cd3As2是狄拉克半金属。随后在2014年,实验上观测到Na3Bi和Cd3As2存在拓扑狄拉克半金属态,是世界上首次发现拓扑狄拉克半金属。尽管拓扑半金属只有不到十年的发展,但由于其丰富的物理现象和潜在的应用价值,已经是凝聚态物理领域最热门的研究方向之一。发现和认识新型拓扑半金属材料对进一步完善凝聚态物理理论体系具有重要意义。本文以拓扑半金属Nb3SiTe6、SrAs3和α-As为研究对象,通过系统的电磁输运性质测量,研究材料的电子结构和费米面拓扑性质,在实验上给出能带拓扑非平庸的证据。具体的研究内容和结果概括如下:（1）利用机械剥离的方法从层状三元化合物Nb3SiTe6块材中剥离出纳米薄片样品,通过电子束曝光制作成器件进行电输运测量。在磁场最高到33T的条件下,详细研究了 Nb3SiTe6纳米片的磁阻和霍尔电阻。观测到随角度变化明显的各向异性不饱和准线性磁阻,并且...
【文章来源】： 安琳琳 中国科学技术大学
【文章页数】：84 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１手性不同的费米子
?第１章?绪论???为类似磁单极子［４４］。图１－２展示了典型的能带结构以及费米面和磁单极的拓扑??关系。??＾ｓ＾ｅ?Ｐ?／?＼?／＼??〇?〇〇??Ｎｏｒｍａｌ?ｍｅｔａｌ?ＷＳＭ??图１－２普通金属和外尔半金属的能带结构及费米面形状（费米能级稍微偏离节点）示??意图。摘自［４４］。??２０１１年南京大学万贤刚提出磁性烧绿石结构的铱氧化物中可能存在外尔半??金属态ｗ。同一年，北京物理所方忠研宄组预言铁磁性的ＨｇＣ：ｒ２Ｓｅ４是外尔半金??属［４６］。由于磁性材料中磁畴的存在干扰费米面测量，导致这些理论预言未能在实??验上被证实。直到最近几年，研究人员发现在凝聚态系统中外尔半金属的低能准??粒子激发表现出了外尔费米子的主要特征。随着外尔半金属和狄拉克半金属的发??现，有关外尔费米子的研宄不断取得新的突破。２０１５年非磁性非中心对称的??ＴａＡｓ家族被翁红明等人预言为外尔半金属。随后研宄人员在ＴａＡｓ中观测到了??表面费米弧［４７＿４９］、狄拉克锥形能带结构［５°］以及手性负磁阻效应［５１］等，ＴａＡｓ家族??成为首例在实验上实现的外尔半金属材料。??１．１．２狄拉克半金属??正如前面所讲能带反转是产生拓扑相的关键因素。与原子极限相比，拓扑绝??缘体的价带（同时具有时间反演对称性）出现在导带之上能隙再次打开。重新打??开的能隙是由自旋轨道相互作用导致的。具体的说这导带和价带的交叉导致在布??４??
?第１章?绪论???里渊区的离散点发生简并。然而，由于自旋轨道相互作用这些能带变成杂化的，??导致简并解除和一个反向带隙完全打开。但如果体系存在额外对称性情况会有所??不同。理论预测［５２］在一个同时满足时间反演对称性和空间反演对称性的强自旋轨??道相互作用材料中如果存在额外的晶体对称性（例如晶体旋转对称性），除去沿??对称轴的特殊位置自旋轨道耦合会在导带和价带的接触点打开能隙。体态的导带??和价带的简并在这些特殊动量点受拓扑保护，导致三维狄拉克费米子在材料中出??现。他们的导带和价带发生很小的交叠，这些材料从拓扑绝缘体转变为拓扑半金??属。在三维狄拉克半金属中，导带和价带交叉点附近能量－动量色散关系在三维??动量空间是线性的。因此三维狄拉克半金属被认为是石墨烯类似物。??（ａ）?Ｃｄ？Ａ＊，?（ｂ）?Ｎａ，？??丨＿瀛編＿??＿＿??Ｋａｔａｎａｍ?ｌｌＡ＊＊）?ｒ??图１－３?ＣＭｓ２和Ｎａ：，Ｂｉ中拓扑狄拉克半金属相的实验观察。（ａ）Ｃｄ３Ａｓ２中三维狄拉克??锥的ＡＲＰＥＳ散射图，显示了在动量空间三个方向上的线性狄拉克色散。图片来自［５４］。??（ｂ）?Ｎａ３Ｂｉ中三维狄拉克锥和费米弧表面态的ＡＲＰＥＳ散射和费米面图谱。图片来自??［５３］。??我们注意到由于需要存在完整的体带隙，拓扑绝缘体的＆拓扑分类也许不??能完全扩展到三维狄拉克半金属。因此需要一种新的方法来定义三维狄拉克半金??５??
本文编号：3034838
【文章来源】： 安琳琳 中国科学技术大学
【文章页数】：84 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１手性不同的费米子
?第１章?绪论???为类似磁单极子［４４］。图１－２展示了典型的能带结构以及费米面和磁单极的拓扑??关系。??＾ｓ＾ｅ?Ｐ?／?＼?／＼??〇?〇〇??Ｎｏｒｍａｌ?ｍｅｔａｌ?ＷＳＭ??图１－２普通金属和外尔半金属的能带结构及费米面形状（费米能级稍微偏离节点）示??意图。摘自［４４］。??２０１１年南京大学万贤刚提出磁性烧绿石结构的铱氧化物中可能存在外尔半??金属态ｗ。同一年，北京物理所方忠研宄组预言铁磁性的ＨｇＣ：ｒ２Ｓｅ４是外尔半金??属［４６］。由于磁性材料中磁畴的存在干扰费米面测量，导致这些理论预言未能在实??验上被证实。直到最近几年，研究人员发现在凝聚态系统中外尔半金属的低能准??粒子激发表现出了外尔费米子的主要特征。随着外尔半金属和狄拉克半金属的发??现，有关外尔费米子的研宄不断取得新的突破。２０１５年非磁性非中心对称的??ＴａＡｓ家族被翁红明等人预言为外尔半金属。随后研宄人员在ＴａＡｓ中观测到了??表面费米弧［４７＿４９］、狄拉克锥形能带结构［５°］以及手性负磁阻效应［５１］等，ＴａＡｓ家族??成为首例在实验上实现的外尔半金属材料。??１．１．２狄拉克半金属??正如前面所讲能带反转是产生拓扑相的关键因素。与原子极限相比，拓扑绝??缘体的价带（同时具有时间反演对称性）出现在导带之上能隙再次打开。重新打??开的能隙是由自旋轨道相互作用导致的。具体的说这导带和价带的交叉导致在布??４??
?第１章?绪论???里渊区的离散点发生简并。然而，由于自旋轨道相互作用这些能带变成杂化的，??导致简并解除和一个反向带隙完全打开。但如果体系存在额外对称性情况会有所??不同。理论预测［５２］在一个同时满足时间反演对称性和空间反演对称性的强自旋轨??道相互作用材料中如果存在额外的晶体对称性（例如晶体旋转对称性），除去沿??对称轴的特殊位置自旋轨道耦合会在导带和价带的接触点打开能隙。体态的导带??和价带的简并在这些特殊动量点受拓扑保护，导致三维狄拉克费米子在材料中出??现。他们的导带和价带发生很小的交叠，这些材料从拓扑绝缘体转变为拓扑半金??属。在三维狄拉克半金属中，导带和价带交叉点附近能量－动量色散关系在三维??动量空间是线性的。因此三维狄拉克半金属被认为是石墨烯类似物。??（ａ）?Ｃｄ？Ａ＊，?（ｂ）?Ｎａ，？??丨＿瀛編＿??＿＿??Ｋａｔａｎａｍ?ｌｌＡ＊＊）?ｒ??图１－３?ＣＭｓ２和Ｎａ：，Ｂｉ中拓扑狄拉克半金属相的实验观察。（ａ）Ｃｄ３Ａｓ２中三维狄拉克??锥的ＡＲＰＥＳ散射图，显示了在动量空间三个方向上的线性狄拉克色散。图片来自［５４］。??（ｂ）?Ｎａ３Ｂｉ中三维狄拉克锥和费米弧表面态的ＡＲＰＥＳ散射和费米面图谱。图片来自??［５３］。??我们注意到由于需要存在完整的体带隙，拓扑绝缘体的＆拓扑分类也许不??能完全扩展到三维狄拉克半金属。因此需要一种新的方法来定义三维狄拉克半金??５??
本文编号：3034838
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