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科学家证实拓扑狄拉克节线量子态存在
2016-08-26 来源:北纳创联

拓扑狄拉克半金属是一种被看作“三维的石墨烯”的全新的奇特拓扑量子材料,这种材料的体电子由三维的狄拉克锥构成。

近日,发表在《物理评论快报》上的研究结果显示,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室材料加工模拟研究部研究员通过第一原理计算,在金属单质中发现拓扑狄拉克节线(Topological Dirac Node Lines)量子态。

研究院发现该拓扑狄拉克节线量子态与拓扑狄拉克半金属和外尔半金属不同,该类新的量子态是金属能带线性交叉点在晶格动量空间形成连续闭合的曲线。它在的(0001)表面的投影是一个闭合的圆,圆内出现受体态保护半占据的拓扑非平庸能带,会在费米能处出现极高的态密度。

而且,这条拓扑非平庸的表面态从上个世纪80年代起就先后被国际上诸多研究团队实验观察到,但当时其产生机理并未被揭示。当前研究表明,其特殊的表面电子能带结构来源于体材料中的拓扑狄拉克节线量子态,基于这个认识金属铍的诸多特殊现象可以得到完美的解释,解决了长久以来困扰人们的谜题。

更重要的是,这一发现不仅解决了金属中困扰的机理问题,也证实了拓扑狄拉克节线量子态的存在。

近几年,在实际材料中寻找这种新的量子态成为广受关注的热门领域,虽然先后在很多材料中预测存在这种量子态,均未被实验验证。当前,在金属铍中的结果证实了这种量子态诱发的拓扑非平庸表面态,为拓扑狄拉克节线量子态的存在提供了强有力的证据。审稿人认为,“这是第一个被实验证实的狄拉克节线量子态的体系”。

同时,研究还进一步发现该类型量子态也存在于、和等碱土金属单质中,金属中的狄拉克节线与铍类似,具有相似的表面态,理论结果也与实验吻合。钙和锶中的狄拉克节线态稍有不同,其拓扑非平庸表面态出现在狄拉克节线外部。由于碱土金属单质尤其是铍的自旋-轨道耦合效应极为微弱,不用担心因该效应导致狄拉克节线退化成狄拉克半金属或者外尔半金属,因此它们提供了一个稳定的平台研究狄拉克节线量子态相关的现象。

 

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