该方程可以成功描述高速运动的电子。物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的张海军教授课题组与清华大学高等研究院姚宏研究员课题组密切合作,在Weyl半金属研究方面取得突破性进展,相关研究成果以《Symmetry-protected
ideal Weyl semimetal in HgTe-class
materials》为题,于2016年04月01日在线发表Nature Communications 7,11136
。南京大学物理学院博士生阮佳伟和清华大学高等研究院博士生简少恺为论文的共同第一作者,张海军教授和姚宏研究员为共同通讯作者。南京大学邢定钰院士和斯坦福大学张首晟教授指导了本项工作。

1928年,英国物理学家Dirac提出了一个描述电子运动的相对论性量子力学方程,即Dirac方程。该方程可以成功描述高速运动的电子,譬如,给出氢原子能级的精细结构,自动导出电子的自旋量子数为1/2,并且预言了正电子的存在。随后,德国物理数学家Weyl指出,当电子质量为零时,Dirac方程可以解耦成两个方程,描述了一对具有相反手性的新粒子——即‘Weyl费米子’。然而,
80多年来,人们始终没有在现实世界中发现Weyl费米子存在的踪迹。

该方程可以成功描述高速运动的电子。2011年,南京大学物理学院的万贤刚教授及其合作者,首先注意到烧绿石结构的5d过渡金属氧化物Y2Ir2O7中存在一种特殊的磁有序结构,结合强的自旋轨道耦合相互作用,其低能激发的能量-动量色散关系精确地满足Weyl方程。也就是说,这种低能准粒子激发就是人们找寻多年的Weyl费米子,该物质态被称为Weyl半金属。该发现是国际凝聚态物理前沿的重要科学突破,Weyl半金属新奇的物理性质对低能耗电子器件、量子计算等方面具有重要意义。目前实验上发现的Weyl半金属只有TaAs系列材料。虽然这类材料在实验上展现了Weyl半金属的多种重要特征,如,负磁阻效应、费米弧、高迁移率等,但他们都还不是‘理想Weyl半金属’体系,因为Weyl点没有精确落在Fermi能级上,并且与许多平庸体态纠缠混合在一起。该方程可以成功描述高速运动的电子。该方程可以成功描述高速运动的电子。

基于第一性原理计算和理论模型分析,本项工作发现HgTe系列化合物,包括HgTe、HgSe和部分half-Heusler化合物,可以实现新型的‘理想Weyl半金属’态。我们知道,HgTe系列化合物具有立方晶格对称性,Fermi能级附近的p轨道成分能带形成轻空穴和重空穴,并且在Γ点处能级简并。HgTe、HgSe和部分half-Heusler化合物的价带和导带之间发生能带翻转,故而费米能级穿过轻重空穴的简并点。通常认为,破坏立方对称性的轴向应力可以使得轻重空穴之间打开能隙,实现具有体能隙的拓扑绝缘体态。我们的研究工作发现,轴向压力确实可以打开体能隙,实现拓扑绝缘体态;然而,轴向张力则不能打开能隙,而是得到对称性保护的稳定Weyl半金属态。该Weyl半金属态具有多重优点:1)在足够大的应力范围内,不敏感于外部应力的大小而稳定存在。
2)受对称性要求,Weyl点被限制在kx=0或ky=0平面内。3)没有平庸体态的混合,并且Weyl点之间可以通过对称性关系彼此联系,故而所有Weyl点精确落在Fermi能级上。我们称之为‘理想Weyl半金属态’。

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金沙澳门39159com,图1HgTe的闪锌矿晶体结构。外部应力下的HgTe的相图。包含拓扑绝缘体相、Type-II
Weyl半金属相和理想Weyl半金属相。Weyl点处的能带结构。动量空间的四对Weyl点。所有Weyl点被对称性限制在kx=0和ky=0平面里。表面上的Fermi弧。放大效果的Fermi弧。

该项工作在推进Weyl半金属研究方面具有重要意义。首先,该理想Weyl半金属态摆脱了平庸体态的混合,为人们研究Weyl费米子的新奇本征物理性质及其他衍生特性提供了一类理想平台。其次,该Weyl半金属态可以由标准的Luttinger哈密顿准确地描述,为进一步的理论研究提供了一个理想的理论模型。另外,half-Heusler系列化合物展现出丰富的物性,包括,超导、重费米子、磁性等,为Weyl半金属物性的交叉研究提供了多种机会。

该项工作主要得到了国家青年千人计划的资助。

附:张海军教授在拓扑材料、铁基超导体和数值算法等方面取得了多项重要成果。2015年入选国家“青年千人计划”,同年入职南京大学物理学院。其课题组,主要基于多种理论方法,包括,第一性原理方法、紧束缚近似方法和kp有效模型方法,集中探索和理解凝聚态物理中的各种新奇物性。一年来,该课题组成员团结协作,在拓扑半金属研究方面取得突破性成果。欢迎对计算凝聚态感兴趣的同学加入张海军教授课题组(zhanghj@nju.edu.cn),共同探讨计算凝聚态之美。

文章链接:

Symmetry-protected ideal Weyl semimetal in HgTe-class materials

Jiawei Ruan, Shao-Kai Jian, Hong Yao, Haijun Zhang, Shou-Cheng Zhang and
Dingyu Xing

Nature Communications 7,11136