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中国科大在黑磷发现压力诱导的狄拉克半金属态

( 2015-12-15 )

  中国科大微尺度物质科学国家实验室和中国科学院强耦合量子材料物理实验室陈仙辉教授研究组近日在具有反常能带色散的三维电子系统研究领域取得重要进展,该研究组与复旦大学张远波教授以及中国科学院固体物理所邹良剑研究员合作,在层状半导体黑磷(black phosphorus)中发现压力诱导的电子结构拓扑相变,并确认高压下黑磷的半金属相中存在狄拉克费米子。相关研究成果于10月28日以“Pressure-induced electronic transition in black phosphorus”为题在线发表在权威物理学杂志《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 115, 186403 (2015) ]。该工作的第一作者为我校博士研究生项子霁同学。 

  具有线性色散能带和相对论性准粒子的三维固体材料(包括狄拉克半金属,Weyl半金属和Rashba半导体等)是当前凝聚态物理学界研究热点,而拥有和石墨类似的六角格子层状结构的元素半导体黑磷以其众多特殊的物性(如准二维性,直接带隙,较大的面内各向异性和高载流子迁移率)而成为近期的明星材料。陈仙辉教授研究组和张远波教授研究组在黑磷的研究中已合作实现黑磷材料的二维场效应晶体管(Nature Nanotech. 2014, 9, 372-377),并在黑磷量子阱中实现电场诱导的高迁移率二维电子气(Nature Nanotech. 2015, 10, 608-613)。本次报道中涉及的研究成果则在黑磷和狄拉克半金属两个近期备受关注的研究方向之间建立了直接联系。  

  

  图示:(a) 黑磷中压力诱导的半金属态的电导率振荡

(b) 对朗道能级指标的分析表明其中存在拓扑非平庸的振荡相位

  陈仙辉教授研究组及其合作者在电输运实验中发现黑磷单晶中的直接带隙会在外加静水压下逐渐关闭。在外加压强达到1.2GPa时,黑磷会经历电子相变而进入一个新的物态,这个高压相具有典型的半金属特征,包括反常大的正磁阻以及电子空穴两种载流子的共存。对高压下半金属态的量子振荡分析结果表明其电子结构中包括非常小的多重费米口袋和有效质量极轻的载流子,其中一个费米口袋的量子振荡信号显示出拓扑非平庸的振荡相位,这说明该能带具有反常的线性色散关系,其中载流子的本质则是狄拉克费米子。这一工作是首次在输运测量中证明黑磷中存在奇异电子态,也是首次在实验上观察到压力诱导的狄拉克半金属相,对于理解固体材料中相对论性准粒子和反常色散能带的形成与演化具有重要意义。 

  该工作得到国家自然科学基金委、国家重点基础研究发展计划和中国科学院战略性先导科技专项的资助。 


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