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北理工在二維外爾“節線”半金屬研究中取得重要進展


  日前,北理工姚裕貴教授課題組(博士生張閏午、姚裕貴教授)同中科院物理所馮寶杰研究員、中科院寧波材料技術與工程研究所馮婭博士等合作者,在二維拓撲量子材料研究方面取得重要進展,首次在鐵磁單原子層GdAg2材料中觀測到二維外爾“節線”半金屬。

  近年來,新興前沿領域如物質的拓撲量子態和二維量子材料在基礎科學研究和量子器件應用方面得到了廣泛的關注和發展。在物質拓撲量子態研究方面,“拓撲半金屬”作為一類新型拓撲電子態,其具有特殊拓撲的表面態(費米弧、鼓膜表面態)、奇異的磁輸運性質(如負磁阻、巨磁電阻)以及極高的載流子遷移率等優點;在二維量子材料研究方面,少數層具有長程鐵磁序的半導體材料(例如Cr2Ge2Te6、CrI3和VSe2)在自旋電子學領域得到深入研究。然而,二維層狀本征鐵磁半導體材料至今發現甚少,而基于單原子層鐵磁材料的拓撲物性研究更是匱乏。若在單原子層鐵磁材料中實現拓撲態(例如拓撲半金屬),將有望解決制約當前半導體集成電路中因器件小型化和密度過大而造成發熱的發展瓶頸問題。

  在拓撲半金屬研究方面,北理工物理學院姚裕貴教授研究團隊和合作者近年來相繼取得了一系列重要進展,為該工作的深入研究奠定了堅實的基礎。例如,預測了第二類外爾半金屬中的朗道能級坍塌現象【Phys. Rev. Lett., 117, 077202 (2016)】;提出了弱拓撲絕緣體與強拓撲絕緣體轉變時存在復合外爾半金屬相的概念 [Phys. Rev. Lett., 116, 066801(2016)]、二維 Cu2Si體系是狄拉克“節線”半金屬并被實驗首次證實【Nat. Commun., 8, 1007 (2017)】;第二類節線半金屬理論【Phys. Rev. B 96, 081106(R) (2017)】、磁化方向調控節線和外爾相的理論【Phys. Rev. B, 98, 121103(R) (2018)】、鏡面對稱性保護下多重節線半金屬理論【Phys. Rev. B 98, 201104(R) (2018)】、復合節-點線外爾半金屬概念【J. Phys. Chem. Lett. 10(10), 2508 (2019)】、等等。此外他們進一步探索了上述拓撲半金屬理論或概念的材料實現,預測了理想的沙漏型節網半金屬-Ag2BiO3【Phys. Rev. B 98,075146 (2018)】、節線半金屬- α-PbO2和β-PbO2【Phys. Rev. B 98, 035144 (2018)】、自旋極化節線半金屬- 二維堿金屬硫族化合物【J. Phys. Chem. Lett. 10(11), 3101 (2019)】等。這些研究工作引起了國內外廣泛關注。

圖1 單原子層GdAg2的第一性原理計算結果

圖2 Ag(111)上單層GdAg2電子結構的ARPES測量

  在最近的工作中,姚裕貴研究組與物理所馮寶杰研究員等人合作,通過理論分析、計算以及角分辨光電子譜觀測相結合的方法,證實了單原子層鐵磁材料GdAg2 是一種二維外爾“節線”半金屬。如圖1所示,單原子層鐵磁材料GdAg2中的外爾“節線”態具有自旋極化的特點和鏡面對稱性保護,具有很強的抗外部干擾能力。基于分子動力學模擬表明,單原子層GdAg2具有在其它基底上外延生長的可能,甚至存在從基底上剝離的潛力。此外,計算結果還表明,如圖1所示,通過控制磁化方向可以調控外爾“節線”態的開/關狀態。實驗上(如圖2所示),當單層GdAg2生長在Ag單質(111)表面時,外爾“節線”態處于費米能級附近。通過角分辨光電子譜測量, 他們發現沿著不同的方向上都有能隙閉合點,即證明了外爾“節線”半金屬的存在。由于樣品GdAg2的厚度已達到了原子極限,上述結果將為實現高效低耗、高集成度的微型化新型拓撲量子器件提供可能。 該工作得到國家自然科學基金委、科技部等單位的支持。研究團隊特別感謝四川師范大學付波濤博士,中科院寧波材料技術與工程研究所何少龍研究員,中科院物理所陳嵐研究員、吳克輝研究員,廣島同步輻射中心Koji Miyamoto、Kenya Shimada、Taichi Okuda, 日本廣島大學Shilong Wu等人的有力支持和配合。

  該工作發表于物理學最頂級的權威期刊《Physical Review Letters》(IF="9.227):Baojie" Feng,?* Run-Wu Zhang,? Ya Feng,? Botao Fu, Shilong Wu, Koji Miyamoto, Shaolong He, Lan Chen, Kehui Wu, Kenya Shimada, Taichi Okuda, and Yugui Yao*; “Discovery of Weyl Nodal Lines in a Single-Layer Ferromagnet”, Physical Review Letters, 123, 116401 (2019). (?為共同一作;*為通訊作者。)

  文章鏈接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.116401

  

  

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