修發賢課題組發表關于新型外爾電子回旋軌道的綜述論文(圖文)

發布者：眺望科技                     發布日期：2021-09-03

近日，復旦大學物理系教授修發賢應邀在《自然-綜述-物理》（Nature Reviews Physics）發表關于新型外爾電子回旋軌道的綜述論文，論文以《費米弧電子在外爾軌道中的回旋輸運特性》（“Cycling Fermi arc electrons with Weyl orbit”）為題于7月15日在線發表。

 

外爾軌道是拓撲半金屬中特有的一種新型電子回旋軌道。晶體中常規的電子回旋軌道是電子在磁場下受洛侖磁力作用，沿著倒空間中費米面垂直于磁場的截面邊界作閉合曲線回旋運動。這一行為會導致Shubnikov de Haas(SdH) 量子振蕩、回旋共振、量子霍爾效應等一系列重要的物理現象。近年來，由南京大學教授萬賢綱等人提出的新型拓撲電子材料-拓撲半金屬被凝聚態物理的研究人員廣泛關注。拓撲半金屬體態存在能帶交疊點，對應的準粒子激發可近似認為是無質量的外爾費米子。拓撲半金屬的一個重要特性是非閉合的費米弧表面態，其兩個端點最終連接的是體態的外爾點，因此正常情況下不會形成回旋軌道。然而如果考慮薄層器件構型，上下表面的費米弧能夠在磁場下耦合起來形成閉合回路，用于連接的正是同樣穿過外爾點的體態手性能級，就如同在晶體中構建了一個連接不同表面的蟲洞，能讓電子發生自由隧穿。

 

圖1. （a）拓撲半金屬體態和表面態電子結構。（b）外爾軌道示意圖。

 

這一理論最早由哈佛大學Ashvin Vishwanath等人提出，并在2016年被加州大學伯克利分校James Analytis課題組通過聚焦離子束切割的砷化鎘納米結構中的SdH量子振蕩實驗首次證實。2017年，復旦大學修發賢課題組和中科院強磁場科學中心的田明亮課題組也分別在直接生長的本征砷化鎘納米片中觀測到外爾軌道的實驗證據。修發賢還發現在提升晶體質量降低體態載流子濃度后，砷化鎘納米片中的量子振蕩會進一步演化成量子霍爾效應，從半經典的回旋運動進入了彈道輸運的量子電導范疇。與此同時，南方科技大學盧海舟課題組和北京大學謝心澄課題組也在理論上指出外爾軌道可以被看成三維空間中連接兩個平面的“蟲洞”，能作為實現三維體系量子霍爾效應的新方案。這些突破性進展引起了領域內的廣泛關注，東京大學、加州大學圣巴巴拉分校、北京大學等多個實驗室也先后對砷化鎘體系的量子霍爾效應開展了深入的研究。

 

圖2.（a）二維量子霍爾效應圖示。（b）基于外爾軌道的三維量子霍爾效應圖示。（c）砷化鎘中的三維量子霍爾回旋軌道和邊緣態示意圖。

 

在該綜述論文中，作者對外爾軌道的形成機制和物理特性等方面作了系統性的介紹，并從三維量子霍爾效應和低散射幾率特性兩個方面深入研究了外爾軌道在材料電學行為中的影響。外爾軌道在保證朗道能級不色散的條件下，引入了平行磁場的第三個維度無耗散運動。這個特殊物理過程使得量子霍爾回旋軌道突破了二維空間的限制，拓展到了更高維度。同時，外爾軌道中的費米弧由于其準線性的電子結構，能有效抑制電子間的散射幾率，在高電子態密度的情況下仍能具有很高的遷移率。這一特性為材料科學尋找高性能導體、降低電子散射耗散提供了一個可行思路。

 

此外，外爾軌道的很多新奇特性和現象也被不斷發掘。蘇州大學江華和北京大學謝心澄團隊給出了不同晶向和不同磁場下的外爾軌道量子霍爾邊界態的物理圖像，并提出可利用傾斜磁場實現對三維量子霍爾邊界態的空間調制。魏茨曼科學研究所Ady Stern課題組發現外爾軌道可以用來誘導非局域的直流和交流電壓響應，利用外爾軌道構建的“蟲洞”實現特定能量微波共振傳輸，可用于帶寬濾波器等電子器件。南洋理工大學Justin Song等人發現基于費米弧可以形成一類新型的雙曲等離激元。德國馬普所Claudia Felser等人報道利用費米弧的高遷移率特性在氫催化反應中進行應用，這一發現使得拓撲半金屬成為全新的氫催化體系。這些研究思路和方案也不斷拓展著拓撲半金屬的研究前沿，深化人們對拓撲物態的認識。

 

該研究工作的合作團隊包括北京大學謝心澄院士、張億教授和南方科技大學盧海舟教授。該工作獲得了復旦大學物理學系，應用表面物理國家重點實驗室、基金委重點項目、國家重點研發計劃和上海市科學技術委員會重大項目的大力支持與資助。論文的第一單位為復旦大學物理學系，通訊作者為修發賢，第一作者為復旦大學微納電子器件與量子計算機研究院青年研究員張成。

 

修發賢課題組主要從事拓撲材料的生長、量子調控以及新型低維原子晶體材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的制備與表征。在新型低維原子晶體材料的器件方面主要研究其電學、磁學和光電特性。

 

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s42254-021-00344-z