外尔半金属的拓扑表面态与外尔点影响下的对称破缺及其非线性光学响应

自1929年数学家赫尔曼·外尔理论预言了外尔费米子的存在以来，人们一直在追寻外尔费米子的踪迹，直到近年来通过在凝聚态物质TaAs中观测到表面态费米弧才实验证实了外尔费米子的存在。外尔半金属是一类具有拓扑非平庸的能带结构的材料，其非简并的导带和价带在三维动量空间的费米能级附近相交，而且电子表现为有着线性色散关系的无质量的外尔费米子，赋予了外尔半金属奇特的物理现象，如表面态费米弧，手性反常，负磁阻现象等，因此受到广泛关注。同时，其表面拓扑态有费米弧分布，其电子分布和结构与体块态分布的外尔费米子不同。对于外尔半金属的光电响应基础研究，可为其应用奠定基础，有科学意义和实用价值。

外尔半金属的拓扑表面态与外尔点影响下的对称破缺及其非线性光学响应

近期，山东大学张怀金教授研究团队与中科院物理所王刚研究员团队合作，研究了外尔费米子与拓扑费米弧的线性和非线性光学响应，发现室温下外尔半金属TaAs具有超高且各向异性的电子迁移率，并证实费米弧可降低其电子迁移率的对称性。在弱光作用下，由于拓扑表面态费米弧的对称破缺导致电子迁移率表现出各向异性，计算得到其室温下的量级达到10⁴ cm²V⁻¹s⁻¹，与石墨烯在室温下的电子迁移率接近。而在强光场作用下，随着光子穿透深度的变化，其体块态外尔点附近的带间跃迁由于费米子的泡利阻塞效应表现出可饱和吸收特性（可饱和吸收强度达到10³ GWcm⁻²），进一步导致了电子迁移率被加速。这项工作实验揭示了光场下外尔费米子与光子相互作用的物理过程，通过分析外尔半金属TaAs的电子传输和光吸收性质（反射率，折射率，光电导），证实了外尔半金属TaAs具有各向异性的超高的电子迁移率, 推进了外尔半金属在新型电子及光电子器件方面的应用，如新型光电晶体管，光电探测器，光调制器等。