線性的能帶交叉附近的電子激發(fā)是無質(zhì)量的費米準(zhǔn)粒子

2019-05-15 李俊

拓?fù)浒虢饘俨牧系捏w內(nèi)電子態(tài)在費米能級附近有受到對稱性或拓?fù)浔Ｗo的能帶交叉，線性的能帶交叉附近的電子激發(fā)是無質(zhì)量的費米準(zhǔn)粒子。拓?fù)浒虢饘僦械哪軒Ы徊嬗泻芏喾N類型，如果按照維度來區(qū)分，大多數(shù)能帶交叉在動量空間中形成零維的節(jié)點（nodal point），如Na3Bi和Cd3As2中的狄拉克點、TaAs中的外爾點、MoP和WC中的三重簡并點、CoSi中新型的手性節(jié)點等。在某些情況下，額外的晶體對稱性會保證能帶交叉點在動量空間中延伸，形成一維的節(jié)線（nodal line），甚至二維的節(jié)面（nodal surface）。

節(jié)線半金屬在2011年被提出，能帶計算已經(jīng)預(yù)言了不少候選材料，其中ZrSiS系列受到非常多的關(guān)注，因為它能帶結(jié)構(gòu)理想，能帶計算表明在費米能級除了節(jié)線沒有其它平庸能帶的干擾，并且易于制備出高質(zhì)量的單晶樣品。2015年，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心T03組博士生許秋楠和研究員翁紅明等首先報道了ZrSiS系列費米能級附近節(jié)線的計算結(jié)果[Phys. Rev. B 92, 205310 (2015)]。2017年，A. Topp等人指出在費米能級以下布里淵區(qū)邊界還存在非簡單空間群保證的節(jié)面[Phys. Rev. X 7, 041073 (2017)]。

2016年以來已經(jīng)有很多關(guān)于ZrSiS系列的角分辨光電子能譜（ARPES）實驗結(jié)果的報道（圖1E、I、J），但和理論計算的體態(tài)電子結(jié)構(gòu)（圖1D、H）有明顯的差異。這是因為這些ARPES測量的是解理表面晶體對稱性破缺以及懸掛鍵產(chǎn)生的表面態(tài)，所以和理論計算的表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)（圖1C、F）吻合。物理所EX7組博士生付彬彬、研究員錢天、丁洪等發(fā)現(xiàn)在空氣中解理ZrSiS樣品可消除表面態(tài)，再借助軟X射線ARPES探測范圍較深的特點，可以觀測到干凈的體態(tài)電子結(jié)構(gòu)（圖1G、K、L），與理論計算（圖1D、H）吻合。基于這個方法，他們對ZrSiS體態(tài)中的節(jié)面（圖2）和節(jié)線（圖3）電子結(jié)構(gòu)開展了系統(tǒng)的測量，并確認(rèn)了費米能級處所有的電子態(tài)都來自于節(jié)線。在這個工作中，物理所EX1組博士生伊長江和研究員石友國提供了ZrSiS單晶樣品，T03組博士生張?zhí)锾锖脱芯繂T翁紅明進行了能帶計算。

相關(guān)研究成果于5月3日在Science Advances上在線發(fā)表。該工作得到科技部（2016YFA0300600、2016YFA0401000、2016YFA0302400、2018YFA0305700、2017YFA0302901），國家自然科學(xué)基金委（11622435、U1832202、11474340、11674369、11474330、11774399），中科院（QYZDB-SSW-SLH04、XDB07000000、XDB28000000），科學(xué)挑戰(zhàn)計劃（TZ2016004），王寬誠教育基金會（GJTD-2018-01），北京市自然科學(xué)基金委（Z180008），北京市科委（Z171100002017018、Z181100004218001、Z181100004218005）的資助。