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新型狄拉克半金属ZrSiS量子材料及其蝴蝶型磁电阻

新型狄拉克半金属ZrSiS量子材料及其蝴蝶型磁电阻

拓扑半金属是最近兴起的一类拓扑凝聚态,因其具备拓扑保护及非同寻常的奇异磁输运性质(如负磁阻、极大磁电阻)和极高的载流子迁移率等优势迅速成为量子材料领域崭新的研究热点和前沿。人们一直在追求拓扑绝缘体表面态及其优异特性,而拓扑半金属类似”三维的拓扑表面态”被认为是拓扑态取得实际应用的突破点之一。近来理论预言ZrSiS家族是线接触式的node-line半金属,这将有可能提供一种更高浓度体系的拓扑载流子,它的实现将是拓扑材料走向应用的关键一步。ZrSiS还具有高度稳定、无毒和元素储量丰富的特点,其晶体结构与”111″型铁基超导体LiFeAs相同,因此它是研究拓扑物理及其应用的理想平台。

近期,南京大学电子科学与工程学院王学锋教授及其合作者开展了ZrSiS量子材料的物性研究。他们生长出了高质量的单晶样品,单晶尺寸大约为5×2×0.5mm3,迁移率最高可达10000cm2/Vs。磁输运测量显示,当磁场增加到53特斯拉时,ZrSiS仍具有不饱和磁电阻特性,且具有蝴蝶型磁电阻的各向异性角度依赖,在强轴方向的磁阻比能达到200000%,各向异性的电阻比值超过10000%。这展示了该材料有可能在未来新型微电子器件和磁传感器件方面获得广泛的应用。

新型狄拉克半金属ZrSiS量子材料及其蝴蝶型磁电阻

ZrSiS还呈现出强烈的Shubnikov-de Haas振荡。在低温下,从很低磁场就出现了量子振荡,并能清楚地鉴定出两个振荡的模式。所绘制的朗道能级扇形图显示了其中一个费米面具有接近1/2的非平庸贝利相位,这对应着一个自旋动量锁定的狄拉克锥。他们进一步从霍尔电阻和磁电阻数据拟合中分析材料各个电子态的载流子浓度,发现在1021/cm3量级的水平。这样高浓度的狄拉克载流子是以往石墨烯、拓扑绝缘体和”点”型狄拉克半金属中所不具备的,这极有可能是node-line半金属的特征。

更有趣的是,该材料还存在二维的狄拉克表面态。他们利用角分辨光电子能谱技术观察到钻石型的费米面特征。他们继续通过改变入射光子的能量来测量费米面的改变,从中发现一个不随光子能量变化的小口袋。密度泛函第一性原理计算表明,这一口袋来自于单层ZrSiS的贡献,这说明ZrSiS存在准二维的结构分离和电子态。理论计算还展现了单层ZrSiS的电子结构,描述了单层结构中狄拉克电子的特征。这种同时具备体相和表面狄拉克电子态的量子材料尚属首次发现。

该工作由南京大学电子科学与工程学院王学锋教授与南京大学物理学院宋凤麒教授和万贤纲教授、上海科技大学陈宇林教授及武汉脉冲强磁场科学中心夏正才教授等多个课题组共同合作完成。相关论文以内封面文章的形式发表在Wiley旗下期刊Advanced Electronic MaterialsDOI:10.1002/aelm.201600228)上。

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