合肥研究院在強磁場下的三維狄拉克半金屬材料研究中獲進展

中國粉體網訊  中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員田明亮課題組在穩態強磁場實驗裝置水冷磁體和極低溫測試系統的支持下，在三維狄拉克半金屬研究中取得新進展，相關研究結果在線發表在美國物理學會Physical Review B 上。

　　三維拓撲狄拉克半金屬是目前凝聚態領域和材料科學領域研究的熱點，它被人們形象地譽為三維版本的石墨烯，在未來低能耗電子學器件應用上具有重要價值，探索新的狄拉克半金屬材料具有重要意義。早期的研究表明層狀材料ZrTe5是性能優異的熱電材料，而最近的角分辨光電子能譜測量和紅外光譜測量則表明，該材料可能是一種三維狄拉克半金屬材料。但是目前相關的研究還沒有確鑿的電輸運證據。

　　在該工作中，研究人員發現當外加磁場平行于測量電流方向時，樣品展現出明顯的負磁阻效應，而改變磁場方向后該負磁阻很快得到抑制。這種對電流和磁場夾角高度敏感的負磁阻被稱為手性磁效應，也是實驗上驗證拓撲半金屬的一個重要輸運證據。此外，通過對ZrTe5中量子振蕩行為進行分析，確認了樣品中的電子具有高的遷移率和非常輕的有效質量，同時具有非平庸的貝里位相（Berry phase）。而轉角磁電阻測量則發現，這些狄拉克電子具有明顯的三維特征。研究人員同時進一步在強磁場（31T）、極低溫（300mK）下測量了樣品中的量子振蕩行為，研究發現由于朗道能級劈裂效應，這些量子振蕩峰會隨著溫度的降低出現劈裂，這表明材料中的狄拉克點可能由于時間反演對稱性破缺劈裂為兩個外爾點。這些研究表明，層狀ZrTe5材料是研究三維狄拉克半金屬的理想材料體系。

　　該研究成果以Transport evidence for three-dimensional Dirac semimetal phase in ZrTe5 為題發表在美國《物理評論》雜志上 [Phys. Rev. B 93, 115414 (2016)]。該研究工作得到了國家自然科學基金以及合肥大科學中心等項目的支持。


在低溫下，當電流與磁場平行時，出現負磁阻行為。而磁場偏離電流方向時，或者溫度升高時負磁阻行為消失。


強磁場下的量子輸運測試表明，由于電子的朗道能級劈裂，量子振蕩峰分裂為兩個峰。