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物理学院姚裕贵教授团队在拓扑节线准半金属研究中取得重要进展

发布日期:2020年01月17日

  

  日前,北京理工大学姚裕贵教授、刘铖铖教授以及博士研究生张闰午、张泽英,在新型准半金属拓扑量子态研究方面取得重要进展,提出了一种新的拓扑量子物态:自旋零带隙节线半金属,并预言了一系列具有自旋零带隙节线半金属态特征的真实材料。

  探索拓扑态和磁性态是凝聚态物理和材料物理领域重要的研究课题,拓扑序与磁有序的相互作用,能衍生出更为丰富的物理效应。磁性拓扑准金属(semimetal)因具有特殊的拓扑表面态(费米弧、鼓膜表面态等)、奇异的输运性质(负磁阻、磁光性质等)以及高的载流子迁移率等优点受到广泛的关注。然而目前已发现和合成的磁性拓扑准金属绝大多数的能带节点或节线远离费米能级,导致本该具有的奇特性能实验上难以观测,因而搜寻能带节点或节线恰好在费米能级处的理想磁性拓扑准金属仍是当前亟需解决的问题。另一方面,自旋极化率为100%的磁性半金属(half-metal)在自旋电子学领域具有广泛的应用。结合两者优势,北京理工大学姚裕贵教授团队最近提出了一种新型拓扑量子物态-自旋零带隙节线半金属,即兼具准金属(semimetal)和半金属(half-metal)独特物性的一种新型准半金属拓扑量子态。

  

  图1: 自旋零带隙节线半金属的不同类型及相应的态密度。红色代表自旋向上的通道,蓝色代表自旋向下的通道。黄色代表节线态。

  该研究工作首先对自旋零带隙节线半金属进行了分类:一类是由相反自旋成份形成的节线,另一类是由相同自旋成份构成的节线,如图1所示。后者在费米能级处的电子具有相同的自旋态,因而电子具有100%的自旋极化率,预计在自旋电子学领域具有非常重要的应用前景。进一步该工作预言了一系列具有自旋零带隙节线半金属态特征的真实理想材料,如图2所示。该类材料中的拓扑节线自旋零带隙半金属受时间和空间反演或滑移镜面对称性保护,且具有自旋极化的表面平带,这表明该类材料还有可能给关联自旋物理提供一个理想的研究平台。该工作将为进一步的实验证实和应用奠定理论基础,为实现高效低耗、高集成度的微型化新型拓扑自旋电子学器件和拓扑量子器件等提供潜在可能。

  

  图2: (a-c)为所预测的10种具有 R -3c 和 R 3c 空间群材料。图(d)和(e)分别为两种典型候选材料PdF3和ZnTiMn(PO4)3的自旋极化能带图和态密度图。图(f)和(g)分别为PdF3和ZnTiMn(PO4)3的[111]面的表面色散和态密度。

  该工作得到国家自然科学基金委、科技部、北京理工大学等单位的支持。

  该工作发表于物理学顶级期刊《Physical Review Letters》: Run-Wu Zhang, Zeying Zhang, Cheng-Cheng Liu, and Yugui Yao; “Nodal Line Spin-gapless Semimetals and High-quality Candidate Materials”, Physical Review Letters, 124, 016402 (2020).

  文章链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.016402