北理工在拓撲節線準半金屬研究中取得重要進展


  日前,北京理工大學姚裕貴教授、劉鋮鋮教授以及博士研究生張閏午、張澤英,在新型準半金屬拓撲量子態研究方面取得重要進展,提出了一種新的拓撲量子物態:自旋零帶隙節線半金屬,并預言了一系列具有自旋零帶隙節線半金屬態特征的真實材料。

  探索拓撲態和磁性態是凝聚態物理和材料物理領域重要的研究課題,拓撲序與磁有序的相互作用,能衍生出更為豐富的物理效應。磁性拓撲準金屬(semimetal)因具有特殊的拓撲表面態(費米弧、鼓膜表面態等)、奇異的輸運性質(負磁阻、磁光性質等)以及高的載流子遷移率等優點受到廣泛的關注。然而目前已發現和合成的磁性拓撲準金屬絕大多數的能帶節點或節線遠離費米能級,導致本該具有的奇特性能實驗上難以觀測,因而搜尋能帶節點或節線恰好在費米能級處的理想磁性拓撲準金屬仍是當前亟需解決的問題。另一方面,自旋極化率為100%的磁性半金屬(half-metal)在自旋電子學領域具有廣泛的應用。結合兩者優勢,北京理工大學姚裕貴教授團隊最近提出了一種新型拓撲量子物態——自旋零帶隙節線半金屬,即兼具準金屬(semimetal)和半金屬(half-metal)獨特物性的一種新型準半金屬拓撲量子態。

圖1 自旋零帶隙節線半金屬的不同類型及相應的態密度。紅色代表自旋向上的通道,藍色代表自旋向下的通道?;粕斫諳嚀?。

  該研究工作首先對自旋零帶隙節線半金屬進行了分類:一類是由相反自旋成份形成的節線,另一類是由相同自旋成份構成的節線,如圖1所示。后者在費米能級處的電子具有相同的自旋態,因而電子具有100%的自旋極化率,預計在自旋電子學領域具有非常重要的應用前景。進一步該工作預言了一系列具有自旋零帶隙節線半金屬態特征的真實理想材料,如圖2所示。該類材料中的拓撲節線自旋零帶隙半金屬受時間和空間反演或滑移鏡面對稱性?;?,且具有自旋極化的表面平帶,這表明該類材料還有可能給關聯自旋物理提供一個理想的研究平臺。該工作將為進一步的實驗證實和應用奠定理論基礎,為實現高效低耗、高集成度的微型化新型拓撲自旋電子學器件和拓撲量子器件等提供潛在可能。

圖2 (a-c)為所預測的10種具有 R -3c 和 R 3c 空間群材料。圖(d)和(e)分別為兩種典型候選材料PdF3和ZnTiMn(PO4)3的自旋極化能帶圖和態密度圖。圖(f)和(g)分別為PdF3和ZnTiMn(PO4)3的[111]面的表面色散和態密度。

  該工作得到國家自然科學基金委、科技部、北京理工大學等單位的支持。

  該工作發表于物理學頂級期刊《Physical Review Letters》: Run-Wu Zhang, Zeying Zhang, Cheng-Cheng Liu, and Yugui Yao; “Nodal Line Spin-gapless Semimetals and High-quality Candidate Materials”, Physical Review Letters, 124, 016402 (2020).

  文章鏈接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.016402

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