研究成果

手性晶體中的克拉莫-外爾費米子

刊登日期:2018-12-24

外爾半金屬TaAs的發現獲Physics World雜誌評選為2015年的十大突破之一。其拓樸特性即是由林新的理論團隊用第一級原理電子能帶結構計算所預測,隨後由其普林斯頓大學的合作者首先由實驗證實。外爾方程式自1929年赫爾曼.外爾提出後,高能與粒子物理界一直沒有找到外爾費米子存在的證據,TaAs固態晶體的電子能帶結構中找到的準粒子也遵從外爾方程式,具特殊的拓樸性質,有關的外爾費米子的研究成為當前熱門的課題。


外爾費米子的拓樸量具有手性,晶體中外爾費米子不能獨自存在,必定伴隨著手性相反的另一個外爾費米子,且晶體的表面態會有費米弧連接兩個手性相異的外爾費米子,所以外爾費米子都是成對地生成或成對地消滅,通常外爾費米子的生成與消滅是能帶反轉所帶來的。另外,晶體結構也可以有手性,手性晶體的鏡像不能與自身重合。結構的手性與外爾費米子拓樸量手性之間的關聯,最近由林新的理論團隊與合作夥伴所發現,發表於《自然材料》期刊Nature Materials 17, 978, (2018),並獲該期刊news & views所報導(doi: 10.1038/s41563-018-0210-6)。


這個工作結合第一級原理電子能帶結構計算與理論分析,發現非磁性的上千種手性晶體,只要引入電子自旋軌道耦合,就普遍存在外爾費米子在倒晶格的時間反演不變點上。非磁性的手性晶體有時間反演對稱性,按克拉莫定理,帶有自旋的電子能態在時間反演不變點上是簡併態,進一步理論分析發現簡併態附近的準粒子遵守外爾方程式,這種新的外爾費米子命名為克拉莫-外爾費米子。傳統的外爾費米子是能帶反轉所帶來的,能帶反轉的大小決定表面態費米弧的長度,而克拉莫-外爾費米子是結構手性與電子自旋軌道耦合所造成的,因為時間反演不變點位於倒晶格的中心與角落,連結克拉莫-外爾費米子的表面態費米弧橫跨整個倒晶格。圖一所示,在手性晶體CoSi [001]的表面上,理論預測有連結倒晶格中心到角落的費米弧。


林新的理論團隊與數個實驗團隊維持密切的合作,持續有重大突破。今年(2018)已經有兩篇論文刊登於《自然》期刊,分別是與新加坡南洋理工所合作的論文Nature 562, 91 (2018) 與美國普林斯頓大學所合作的論文Nature 556, 355 (2018)。在二維材料,拓樸材料,鐵電材料,超導材料,半導體材料與金屬中,電子自旋軌道耦合所產生的物理現象仍將是固態物理領域最重要的研究方向之一,第一級原理計算方法在這個研究方向上是不可或缺的。期待這次林新的理論團隊用第一級原理計算方法研究的上千種手性晶體材料,能幫助且加速實驗上有關克拉莫-外爾費米子的量測與理解。




Figure 1 :理論預測在手性晶體CoSi [001]的表面上,有連結倒晶格中心到角落的費米弧。


網站連結:



  1. Nature Materials, published on October 1, 2018 Topological quantum properties of chiral crystals https://rdcu.be/9vei

  2. Nature volume 562, 91 (12 September 2018) Giant and anisotropic many-body spin–orbit tunability in a strongly correlated kagome magnet https://rdcu.be/9ve5

  3. Nature Communications volume 9, Article number: 4153 (2018) Quasiparticle interference and nonsymmorphic effect on a floating band surface state of ZrSiSe https://rdcu.be/9vdr

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