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澳门新葡新京网赌 中国科大在新型拓扑材料外尔半导体研究中取得进展

728    2020-05-19    发布者:澳门新葡新京杂志社    来源:中国科学技术大学、仪表网

在新型量子材料中,具有特殊能带结构的拓扑材料也兼具新奇电子输运特性。相关研究不仅可以加深对于拓扑物态的理解,更有望推动新型高性能电子学器件的发展。一个典型的代表是目前引起广泛关注的外尔半金属体系,其输运研究往往表现出超大非饱和磁阻、平行磁场下的负磁阻效应、平面霍尔效应等诸多特性,而表面外尔弧更是提供了高迁移率和低功耗的电子学通道。这些特性都源自费米面附近外尔费米子的存在。

Weyl费米子,即外尔费米子(Weyl fermion)是一种无质量费米子,在量子理论和标准模型中发挥重要作用。外尔费米子被认为是量子理论中费米子一部分,是赫尔曼·外尔从狄拉克方程式中得出的解,被称为外尔方程式。狄拉克费米子可以视为左手的外尔费米子与右手的外尔费米子的组合。外尔费米子并没有被视为基本粒子。外尔费米子在凝聚体物理学里以准粒子激发的形式存在。
 
  赫林(C·Hering)在能带结构固态系统下首先预测外尔费米子的存在 。钽砷晶体是第一个发现外尔费米子存在的晶体结构。带电外尔费米子在室温下稳定存在。
 
  迄今为止,对于外尔费米子以及外尔物理的研究都局限于半金属体系。然而从器件应用角度,半导体相对于半金属有其独特的价值。近日,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中科院强耦合量子材料物理重点实验室教授曾长淦研究组与王征飞研究组实验与理论合作,首次在单元素半导体碲中发现了由外尔费米子主导的手性反常现象以及以磁场对数为周期的量子振荡,成功将外尔物理拓展到半导体体系。
 
  碲是一种窄能带半导体,由于空间反演对称性破缺以及相应的强自旋轨道耦合,在价带顶附近存在能带交叉的外尔点。该团队通过物理气相沉积法制备出高质量碲单晶,其空穴自掺杂特性使费米能级处于价带顶,进而显著增强了外尔费米子对输运性质的影响。低温输运研究进一步揭示了碲单晶表现出由于手性反常导致的典型磁输运特征,包括磁场平行于电流方向时的负磁阻效应,以及磁场在样品平面时发生的平面霍尔效应。
 
  霍尔效应是电磁效应的一种,这一现象是美国物理学家霍尔(E.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在半导体的两端产生电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应使用左手定则判断。
 
  借助于合肥中科院强磁场科学中心以及武汉国家脉冲强磁场科学中心的强磁场装置,该团队更进一步发现了罕见的以磁场对数为周期的磁阻和霍尔电阻量子振荡。这种新型量子振荡是自相似的离散标度不变性的体现,可以归因于碲晶体中精细结构常数(7.5)远大于真空取值(1/137)从而使外尔费米子与异性电荷中心形成共振态形式的准束缚态。
 
  该工作首次实现了将新奇拓扑属性和半导体属性有机结合的“拓扑外尔半导体”。如果把费米能级从价带调到能隙,会发生金属-绝缘体转变,并伴随拓扑非平庸态到平庸态的转变,这一外尔半导体独有的特性不存在于外尔半金属。外尔半导体的发现为设计新型拓扑半导体器件提供了新思路。


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