近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢課題組在外爾半金屬砷化鈮中探測(cè)到手性朗道能級(jí)。5月10日，相關(guān)研究成果以《外爾半金屬砷化鈮中的手性朗道能級(jí)與拓?fù)錅?zhǔn)粒子》為題在線發(fā)表于國(guó)際權(quán)威雜志《自然·通訊》。 .ey=gI!x0  
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近年來(lái)，外爾半金屬作為一種新型拓?fù)浒虢饘佾@得了廣泛的關(guān)注。這類拓?fù)浒虢饘儆行缕娴碾妼W(xué)特性，比如線性色散的能帶結(jié)構(gòu)、超高的遷移率和超大的磁阻�？臻g反演對(duì)稱性破缺導(dǎo)致不同外爾點(diǎn)在動(dòng)量空間分開，兩個(gè)手性相反的外爾點(diǎn)成對(duì)出現(xiàn)，并可以看做動(dòng)量空間中的磁單極子。這種特殊能帶的低能激發(fā)所對(duì)應(yīng)著的外爾費(fèi)米子在粒子物理中始終沒有被發(fā)現(xiàn)，曾一度被稱為幽靈粒子。但隨著在凝聚態(tài)體系中外爾半金屬的實(shí)現(xiàn)，越來(lái)越多新穎的物理性質(zhì)和非常規(guī)現(xiàn)象被預(yù)言并發(fā)現(xiàn)，一些粒子物理中所預(yù)言的現(xiàn)象也得以在晶體中被驗(yàn)證。 N"k IQe*}1  
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手性反常，作為外爾半金屬中最奇特的性質(zhì)之一，備受關(guān)注。1929年，德國(guó)科學(xué)家外爾（Weyl）指出，無(wú)質(zhì)量外爾費(fèi)米子 (Weyl Fermion) 可以分為左手和右手兩種不同“手性”。對(duì)于這種特殊的費(fèi)米子，在平行電磁場(chǎng)下，一個(gè)外爾點(diǎn)附近的電子會(huì)被持續(xù)的傳送到另一個(gè)外爾點(diǎn)附近。由于兩個(gè)外爾點(diǎn)具有相反的手性，系統(tǒng)會(huì)因此積累具有凈手性的電荷。同時(shí)，考慮到有限的散射，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的凈手性電流。在直流極限下，電導(dǎo)率會(huì)因此隨磁場(chǎng)增加而升高，這一負(fù)磁阻現(xiàn)象在不同的外爾半金屬中被廣泛的觀察到。手性磁效應(yīng)的根本機(jī)制，在理論上被認(rèn)為是磁場(chǎng)下產(chǎn)生的手性朗道能級(jí)所導(dǎo)致的。然而，盡管輸運(yùn)上的負(fù)磁阻被廣泛報(bào)道，作為外爾半金屬的重要特征，這一類特殊朗道能級(jí)卻始終沒有被實(shí)驗(yàn)直接觀察到。其難度在于苛刻的實(shí)驗(yàn)條件和合適的材料體系：既要找到一種能在強(qiáng)磁場(chǎng)下觀察朗道能級(jí)的手段，又要獲得常高質(zhì)量且低費(fèi)米面的晶體。 xtq='s8e  
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該項(xiàng)研究工作利用強(qiáng)磁場(chǎng)紅外光譜，同時(shí)結(jié)合磁場(chǎng)輸運(yùn)、光譜學(xué)、能帶計(jì)算和其他樣品表征手段，對(duì)外爾半金屬砷化鈮開展了系統(tǒng)而深入的研究。磁光譜的實(shí)驗(yàn)手段和高質(zhì)量的砷化鈮晶體使觀察外爾半金屬朗道能級(jí)提供了可能。 _(zPA4q8q  
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研究結(jié)果表明，該體系中存在一種朗道能級(jí)，它與所有已知的朗道能級(jí)所導(dǎo)致的光學(xué)特征完全不同。在拓?fù)浒虢饘僦兴�找到的朗道能�?jí)共同點(diǎn)是光學(xué)躍遷發(fā)生在零動(dòng)量點(diǎn)，因此，躍遷頻率只與朗道能級(jí)在零動(dòng)量的間隔相關(guān)。然而，在外爾半金屬砷化鈮中，光譜上的共振特征顯示，光學(xué)躍遷來(lái)自于非零動(dòng)量處，并且躍遷頻率隨費(fèi)米面的不同也表現(xiàn)出強(qiáng)烈的變化。 Ex`!C]sQ  
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課題組描繪了尋找已久的手性朗道能級(jí)。由于外爾半金屬的手性朗道能級(jí)在磁場(chǎng)方向是線性色散的，光學(xué)躍遷有可能發(fā)生在非零動(dòng)量處。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的躍遷頻率也將明顯受到費(fèi)米面的影響。對(duì)于已進(jìn)入和未進(jìn)入量子極限的兩個(gè)外爾點(diǎn)，允許的光學(xué)躍遷數(shù)目將完全不同。磁光譜中的諸多證據(jù)都清楚地證明了砷化鈮中存在著獨(dú)特的手性朗道能級(jí)。 3*<?'O7I0  
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這一結(jié)果為外爾半金屬中的手性磁效應(yīng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為區(qū)分手性磁效應(yīng)和其他非本征效應(yīng)提供了有力的判斷依據(jù)。手性能級(jí)的發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)了外爾半金屬對(duì)外場(chǎng)的特殊響應(yīng)，更重要的是顯示了外爾半金屬的新奇光物質(zhì)相互作用，這將在光學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用，也進(jìn)一步拓展了外爾半金屬的器件應(yīng)用前景。比如，基于手性電荷所預(yù)言的外爾半金屬負(fù)折射，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)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(yīng)用到自旋和能谷電子學(xué)中，從而實(shí)現(xiàn)新一代的低能耗存儲(chǔ)器件。 6 {j}Z*)m  
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據(jù)悉，修發(fā)賢課題組主要從事拓?fù)洳牧系纳�長(zhǎng)、量子調(diào)控以及新型二維原子晶體的器件研究。該研究工作由復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系、武漢國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)中心和美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室等單位合作完成。