“复旦大学研究团队首次在磁光谱中观测到手性朗道能级”

本篇文章1448字，读完约4分钟

复旦大学物理学系教授修发贤课题组近日在外尔半金属砷化铌中检测出可获得性朗道能级。 5月10日，相关研究成果以《外尔半金属砷化铌中的杀手级和拓扑级粒子》为题，在国际权威杂志《自然通信》上在线发表。

近年来，外尔半金属作为一种新的拓扑半金属备受关注。 这种拓扑半金属具有线性色散的带结构、超高迁移率、巨磁阻等新的电学特征。 空之间反转对称性的破裂，不同的外尔点在动量空之间分离，两个手性相反的外尔点成对出现，可以看作动量空之间的磁单极子。 与这种特殊波段的低能激发相对应的外尔费米子在粒子物理上未被发现，曾被称为幽灵粒子。 但是，随着外尔半金属在聚集态系统中的实现，更多罕见的物理性质和异常现象被预言和发现，单点粒子物理中预言的现象也在晶体中得到了验证。

手性异常作为外尔半金属中最奇怪的性质之一备受关注。 1929年，德国科学家外尔( weyl )指出，无质量的外尔费米( weyl fermion )可以分为左手和右手两个不同的“手性”。 在这种特殊的费米子中，在平行电磁场中，一个外尔点附近的电子持续传递到另一个外尔点附近。 由于两个外尔点具有相反的手性，系统由此积累具有净手性的电荷。 然后，考虑到有限的散射，系统产生稳定的净电流。 在直流极限下，电导率随着磁场的增加而上升，但这种负磁阻现象在不同的外尔半金属中受到广泛关注。 手性磁效应的根本机理理论上可以认为是磁场下产生的杀手能级造成的。 但是，尽管运输上的负磁阻被广泛报道，但作为外尔半金属的重要特征，这种特殊的流道水平在实验中并未得到直接的关注。 其难度在于苛刻的实验条件和合适的材料体系:必须在强磁场下找到注意流道水平的手段，同时经常得到优质、低费米面的结晶。

图像:外尔半金属中的杀手兰德能级和光学跃迁示意图

该研究工作利用强磁场红外光谱，结合磁场输运、光谱学、能带计算和其他样品表征手段，对首尔半金属砷化铌展开了系统和深入研究。 磁谱的实验手段和优质的砷化铌晶体使得注意外尔半金属朗道能级成为可能。

结果表明，该系统中存在与所有已知游程能级引起的光学特征完全不同的游程能级。 在拓扑半金属中发现的朗朗能级的共同点是光学跃迁发生在零动量点。 这是因为，跃迁频率只与朗朗能级的零动量间隔相关。 但是，对于外尔半金属砷化铌，光谱上的共振特性显示，光学跃迁来源于非零动量，同时跃迁频率也随费米面而发生强烈的变化。

课题组画出了长期以来寻找的杀手兰德能级。 由于外尔半金属的杀手级沿磁场方向线性分散，因此光学跃迁可能发生在非零动量下。 在这种情况下，对应的迁移频率也明显受到费米面的影响。 在进入量子极限和未进入量子极限的两个外尔点上，所允许的光学跃迁数完全不同。 磁谱中的许多证据清楚地表明砷化铌中存在独特的杀手级。

该结果为外尔半金属中的手性磁效应提供了坚实的基础，为区分手性磁效应和其他非真性效应提供了强有力的评价依据。 手性能级的发现显示了外尔半金属对外场的特殊响应，更重要的是显示了外尔半金属新物质的相互作用，这在光学方面有着广泛的应用，进一步拓展了外尔半金属器件的应用前景。 例如，基于手性电荷预言的外尔半金属的负折射，可以实现光学衍射极限的突破。 另一方面，手性作为拟自旋，将外尔半金属应用于自旋和能量谷电子学，实现新一代低功耗存储装置。

据悉，修贤课题组主要从事拓扑材料的生长、量子控制及新型二维原子晶体的器件研究。 该研究由复旦大学物理学科、武汉国家脉冲强磁场中心和美国国家强磁场实验室等合作完成。

(责任编辑王韵)