陈钢课题组在拓扑半金属以及强自旋轨道耦合关联物理方向取得进展
发布时间: 2018-12-05     文章作者:     访问次数: 920

最近,陈刚教授的研究小组研究了巡航电子与烧绿石氧化物Pr2Ir2O7中局部磁矩之间的相互作用,从理论上预测了材料的丰富和非平凡的能带拓扑性质。混合量子材料中多个自由度的相互作用和调节照亮了道路。一篇相关的研究论文将在《物理评论X》(物理评论X,https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.041039)的主题“Pr2Ir2O7:,当Luttinger半金属符合Melko-Hertog-Gingras旋冰状态”时发表。本文作者是姚旭平教授和我科陈刚教授。其中,姚旭平是该论文的第一作者。

自从拓扑绝缘体的引入和发现以来,学术界对电子能带拓扑的研究越来越感兴趣。 Bi2Se3等材料中的反恒定霍尔效应是该领域的一个里程碑式的发现。在该系统中,拓扑绝缘体表面上的狄拉克电子由于铁磁掺杂而打开能隙,这导致非平均数量的价带,从而形成支持量子化霍尔传输的手征边缘状态。从另一个角度来看,狄拉克型巡航电子和铁磁性的局部磁矩相对简单,但两者之间的相互作用产生了一种特殊的反恒定子霍尔效应。量子物质中除自由电子附近以外的自由度能否有效地调节电子能带,并且它们之间的相互作用是否会产生更多的非平凡现象?

受上述问题的启发,陈刚的研究小组研究了铋烧绿石氧化物Pr2Ir2O7。实验上,这种材料在零温度极限下仍保持不变。最近的研究表明,由钇提供的5d导电电子在布里渊起源处表现出二次能带接触,并且费米面通过半满填充。接触点形成一个所谓的Luttinger半金属。由镨提供的4f局部磁矩在烧绿石晶格上构成特殊的自旋冰构型。这种配置首先由Melko,Hertog和Gingras研究和命名。该小组以前的工作指出,这种特殊的旋转冰构型可以通过量子相变与众所周知的U(1)旋转液体相关联。

局部磁矩对Pr2Ir2O7中传导电子的影响为探索两个自由度之间的相互耦合提供了一个自然的平台。该工作预测,镨的Isin型磁序列等同于重建铱电子带的固有磁场。具体而言,后者在布里渊区原点的四重合并被抬起,在费米面和整个布里渊区附近产生了大量的Weyl点。此外,在不波动点的某个特定时间反转中,镨MHG自旋态的磁转换操作的对称性保护铱电子的狄拉克型合并。尽管由于在施加的磁场下对称性消失而释放狄拉克型合并,但保留拓扑保护的Weyl点仅改变相对位置。此外,人工调节磁场可以改变坩埚的磁性结构,从而间接地影响坩埚的传导电子,并实现不同拓扑相之间的量子调节。

作者提出了各种实验方法,包括角分辨光电子能谱(ARPES),光学测量和磁传输测量,以测试理论预测。实验材料不仅限于Pr2Ir2O7,还可以扩展到具有相似局部磁矩和巡航电子的系统,如半Hesuler化合物RGeX(Re=稀土元素,X=Si/Ge)和稀土磷化合物CeSb。 。这项工作将帮助人们加深对量子材料中多个自由度之间相互作用的理解,并激发对该领域更多的研究兴趣。

该研究由科技部,澳门太阳城手机端基金会和一流大学建设基金以及国家“千人计划”资助。

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