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物理所等實(shí)驗(yàn)證實(shí)非簡單空間群拓?fù)浣^緣體中的沙漏費(fèi)米子

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物理所等實(shí)驗(yàn)證實(shí)非簡單空間群拓?fù)浣^緣體中的沙漏費(fèi)米子

摘要: 　　“拓?fù)洹笔菙?shù)學(xué)中的一個概念，近年來被廣泛應(yīng)用于物理領(lǐng)域。隨著拓?fù)淠軒Ю碚搶W(xué)習(xí)的不斷深入，涌現(xiàn)出形形色色的對稱性保護(hù)的拓?fù)淞孔游飸B(tài)，如拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘�、拓�(fù)涑瑢?dǎo)等。這些拓?fù)鋺B(tài)的一個重要特征就是 ...

　　“拓?fù)洹笔菙?shù)學(xué)中的一個概念，近年來被廣泛應(yīng)用于物理領(lǐng)域。隨著拓?fù)淠軒Ю碚搶W(xué)習(xí)的不斷深入，涌現(xiàn)出形形色色的對稱性保護(hù)的拓?fù)淞孔游飸B(tài)，如拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘�、拓�(fù)涑瑢?dǎo)等。這些拓?fù)鋺B(tài)的一個重要特征就是存在拓?fù)湫员Ｗo(hù)的表面電子態(tài)，如強(qiáng)拓?fù)浣^緣體中的狄拉克錐型色散的表面態(tài)、拓?fù)渫鉅柊虢饘僦械姆情]合費(fèi)米弧表面態(tài)等。人們利用角分辨光電子能譜（ARPES）已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了兩類拓?fù)浣^緣體，即時間反演對稱保護(hù)的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體和鏡面對稱保護(hù)的拓?fù)渚w絕緣體。它們的表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)都具有狄拉克錐形的能帶色散，表面態(tài)低能激發(fā)的準(zhǔn)粒子是無質(zhì)量的二維狄拉克費(fèi)米子。
　　2016年初，普林斯頓大學(xué)博士王志俊和教授Bernevig及合作者從理論上提出了一類新的拓?fù)浣^緣體。與之前的學(xué)習(xí)結(jié)果不同，這類拓?fù)浣^緣體具有非簡單(nonsymmorphic)的空間群，即存在滑移軸或（和）滑移面。在某些表面上，它的拓?fù)浔砻鎽B(tài)電子結(jié)構(gòu)具有類似沙漏形式的能帶色散。表面態(tài)低能激發(fā)的準(zhǔn)粒子被命名為“沙漏費(fèi)米子”，以區(qū)別于其它拓?fù)浣^緣體中的狄拉克費(fèi)米子（圖1）。他們還同時預(yù)言了首個非點(diǎn)群拓?fù)浣^緣體KHgX(X=As，Sb，Bi)系列。
　　中國科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所／北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）EX7組學(xué)習(xí)員丁洪和副學(xué)習(xí)員錢天指導(dǎo)博士生馬均章和呂佰晴，在上海光源“夢之線”ARPES實(shí)驗(yàn)站對非簡單空間群拓?fù)浣^緣體KHgSb的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的測量，觀測到沙漏型色散的表面態(tài)，提供了沙漏費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。物理所EX1組學(xué)習(xí)員石友國和博士生伊長江提供了高質(zhì)量的KHgSb單晶樣品，普林斯頓大學(xué)王志俊和物理所T04組博士生聶思敏和學(xué)習(xí)員翁紅明進(jìn)行了能帶計(jì)算。
　　KHgSb具有非簡單空間群的晶體結(jié)構(gòu)，存在滑移軸和滑移面（圖2A）。理論計(jì)算表明，滑移面\({\overline{M}}_{x}\)保護(hù)（010）表面布里淵區(qū)\(\tilde{\Gamma}-\tilde{Z}\)方向具有沙漏型的表面態(tài)能帶（圖2F），而在（001）表面體態(tài)能隙中不存在任何表面態(tài)（圖2E）。丁洪課題組在上海光源“夢之線”上用ARPES分別測量了KHgSb不同解理面的電子結(jié)構(gòu)。在（001）面清晰地觀測到體態(tài)能帶，揭示了體態(tài)能隙中沒有表面態(tài)（圖2C）。在（010）面體態(tài)能隙中觀測到了表面態(tài)。通過測量（010）表面布里淵區(qū)不同方向表面態(tài)的能帶色散，總結(jié)出（010）表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)（圖2D），與計(jì)算結(jié)果高度吻合，提供了非簡單空間群拓?fù)浣^緣體存在沙漏費(fèi)米子的首個實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
　　這一學(xué)習(xí)成果于5月5日在線發(fā)表在科學(xué)進(jìn)展【Science Advances 3， e1602415 (2017)】上。物理所石友國、錢天和丁洪為該文共同通訊作者，物理所博士生馬均章、伊長江、呂佰晴和普林斯頓大學(xué)王志俊博士為該文共同第一作者。該工作得到了科技部“國家重大科學(xué)學(xué)習(xí)計(jì)劃”和“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”（2016YFA0300600、2016YFA0401000、2015CB921300、2013CB921700）、國家自然科學(xué)基金委（11622435、11474340、11422428、11274367、11474330、11504117、11234014、11274362、11674371）和中科院先導(dǎo)B項(xiàng)目的支持。
　　論文鏈接



　　圖1：（A）和（B）分別為具有簡單空間對稱性的拓?fù)淦接购头瞧接菇^緣體表面態(tài)能帶示意圖。（C）和（D）分別為具有非簡單空間對稱性的拓?fù)淦接购头瞧接菇^緣體表面態(tài)能帶示意圖。



　　圖2：（A）KHgSb晶體結(jié)構(gòu)示意圖，黃色的面代表滑移面\({\overline{M}}_{x}\)。（B）體態(tài)以及不同表面投影的布里淵區(qū)示意圖。（C）ARPES實(shí)驗(yàn)測量的（001）面能帶色散。（D）從ARPES實(shí)驗(yàn)結(jié)果提取的（010）面表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)。（E）理論計(jì)算的（001）面能帶投影。（F）理論計(jì)算的（010）面能帶投影，\(\tilde{\Gamma}-\tilde{Z}\)方向具有沙漏型的表面態(tài)能帶。物理所等實(shí)驗(yàn)證實(shí)非簡單空間群拓?fù)浣^緣體中的沙漏費(fèi)米子  |  責(zé)任編輯：蟲子
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