物理学院 School of Physics, Nanjing University

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宋凤麒教授等课题组在第二类狄拉克半金属材料PdTe2研究中取得新进展

2017年07月11日

南京大学物理学院、电子学院、上海科技大学、牛津大学和上海交通大学合作的课题组在第二类狄拉克半金属材料PdTe2研究中取得新进展。相关研究成果以《层状材料PdTe2中的非平庸Berry相位及第二类狄拉克输运性质》(Nontrivial Berry phase and type-II Dirac transport in the layered material PdTe2)为题,以快速通讯(Rapid Communication)发表在75日出版的《物理评论B》(Physical Review B)上(Phys. Rev. B 96, 041201 (2017)),并在PhysicsViewpoint被报道。南京大学物理学院费付聪、薄祥、王锐三位同学为论文的共同第一作者。宋凤麒教授、万贤纲教授、王伯根教授联合担任通讯作者,上海科技大学陈宇林课题组、上海交通大学郑浩教授提供了测量方面的支持。
凝聚态物理近来产生了第二类狄拉克半金属的概念。区别于传统的狄拉克半金属,第二类狄拉克半金属具有沿某一方向严重倾斜的狄拉克锥和费米弧表面态,类似坐标方向引起的E-k关系的激烈变化,这是凝聚态体系中狄拉克费米子独有的破坏洛仑兹不变性的结果。这类狄拉克费米子是什么形态,有什么特别的输运特征和应用前景呢?
本工作利用熔炼法获得了高质量PdTe2单晶样品,并系统地开展了低温电输运和磁化的测量。在低温磁化测量中,PdTe2样品表现出了明显的量子振荡行为(图a)。经过细致的分析,从振荡中分析出了6组振荡模式,其中频率为8T的低频模式拥有非平庸的Berry相位,体现了PdTe2的拓扑非平庸性质。第一性原理计算的能带结构和费米面截面与实验结果吻合,得到了一个在k空间类似苹果核状的狄拉克锥,并指出该低频振荡模式的贡献来自由于狄拉克锥倾斜而形成的空穴口袋。这进一步证实了非平庸的Berry相位来自于狄拉克锥的贡献。该团队对PdTe2晶体进行了角分辨光电子能谱(ARPES)的研究,结合第一性原理计算,成功确认了PdTe2晶体中沿kz方向倾斜的第二类狄拉克锥能带结构(图bc)。狄拉克点在费米面下方0.5-0.6eV
该团队的低温输运测量确认了PdTe2的超导性质,其超导转变温度约为~2K,且具有显著的各向异性。同时,该团队还指出PdTe2有望成为研究拓扑超导的候选材料之一,而且在第二类狄拉克半金属材料中诱导拓扑超导拥有独特的优势。这为拓扑电子学器件的应用研究提供了崭新的平台。

图:(a)低温磁化测量中的量子振荡;(b, c) PdTe2的角分辨光电子谱。

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