復旦大學研究團隊首次在磁光譜中觀測到手性朗道能級

　　近日，復旦大學物理學系教授修發賢課題組在外爾半金屬砷化鈮中探測到手性朗道能級。5月10日，相關研究成果以《外爾半金屬砷化鈮中的手性朗道能級與拓撲準粒子》為題在線發表于國際權威雜志《自然·通訊》。

　　近年來，外爾半金屬作為一種新型拓撲半金屬獲得了廣泛的關注。這類拓撲半金屬有新奇的電學特性，比如線性色散的能帶結構、超高的遷移率和超大的磁阻。空間反演對稱性破缺導致不同外爾點在動量空間分開，兩個手性相反的外爾點成對出現，并可以看做動量空間中的磁單極子。這種特殊能帶的低能激發所對應著的外爾費米子在粒子物理中始終沒有被發現，曾一度被稱為幽靈粒子。但隨著在凝聚態體系中外爾半金屬的實現，越來越多新穎的物理性質和非常規現象被預言并發現，一些粒子物理中所預言的現象也得以在晶體中被驗證。

　　手性反常，作為外爾半金屬中最奇特的性質之一，備受關注。1929年，德國科學家外爾（Weyl）指出，無質量外爾費米子 (Weyl Fermion) 可以分為左手和右手兩種不同“手性”。對于這種特殊的費米子，在平行電磁場下，一個外爾點附近的電子會被持續的傳送到另一個外爾點附近。由于兩個外爾點具有相反的手性，系統會因此積累具有凈手性的電荷。同時，考慮到有限的散射，系統會產生穩定的凈手性電流。在直流極限下，電導率會因此隨磁場增加而升高，這一負磁阻現象在不同的外爾半金屬中被廣泛的觀察到。手性磁效應的根本機制，在理論上被認為是磁場下產生的手性朗道能級所導致的。然而，盡管輸運上的負磁阻被廣泛報道，作為外爾半金屬的重要特征，這一類特殊朗道能級卻始終沒有被實驗直接觀察到。其難度在于苛刻的實驗條件和合適的材料體系：既要找到一種能在強磁場下觀察朗道能級的手段，又要獲得常高質量且低費米面的晶體。

　　圖片：外爾半金屬中的手性朗道能級和光學躍遷示意圖

　　該項研究工作利用強磁場紅外光譜，同時結合磁場輸運、光譜學、能帶計算和其他樣品表征手段，對外爾半金屬砷化鈮開展了系統而深入的研究。磁光譜的實驗手段和高質量的砷化鈮晶體使觀察外爾半金屬朗道能級提供了可能。

　　研究結果表明，該體系中存在一種朗道能級，它與所有已知的朗道能級所導致的光學特征完全不同。在拓撲半金屬中所找到的朗道能級共同點是光學躍遷發生在零動量點，因此，躍遷頻率只與朗道能級在零動量的間隔相關。然而，在外爾半金屬砷化鈮中，光譜上的共振特征顯示，光學躍遷來自于非零動量處，并且躍遷頻率隨費米面的不同也表現出強烈的變化。

　　課題組描繪了尋找已久的手性朗道能級。由于外爾半金屬的手性朗道能級在磁場方向是線性色散的，光學躍遷有可能發生在非零動量處。此時，對應的躍遷頻率也將明顯受到費米面的影響。對于已進入和未進入量子極限的兩個外爾點，允許的光學躍遷數目將完全不同。磁光譜中的諸多證據都清楚地證明了砷化鈮中存在著獨特的手性朗道能級。

　　這一結果為外爾半金屬中的手性磁效應提供了堅實的基礎，也為區分手性磁效應和其他非本征效應提供了有力的判斷依據。手性能級的發現展現了外爾半金屬對外場的特殊響應，更重要的是顯示了外爾半金屬的新奇光物質相互作用，這將在光學方面有廣泛的應用，也進一步拓展了外爾半金屬的器件應用前景。比如，基于手性電荷所預言的外爾半金屬負折射，可實現對光學衍射極限的突破。另一方面，手征性作為一種贗自旋，使外爾半金屬可以應用到自旋和能谷電子學中，從而實現新一代的低能耗存儲器件。

　　據悉，修發賢課題組主要從事拓撲材料的生長、量子調控以及新型二維原子晶體的器件研究。該研究工作由復旦大學物理學系、武漢國家脈沖強磁場中心和美國國家強磁場實驗室等單位合作完成。