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: 553

近日,我系陈钢教授课题组研究了烧绿石铱氧化物Pr2Ir2O7中巡游电子和局域磁矩间的相互作用,从理论上预言了该材料中丰富且非平凡的能带拓扑性质,为研究混合量子材料中多重自由度间的相互影响及调控照亮了道路。相关研究论文将以“Pr2Ir2O7: when Luttinger semimetal meets Melko-Hertog-Gingras spin ice state”为题,在《物理评论X》(Physical Review Xhttps://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.041039)发表。文章作者为我系研究生姚旭平和陈钢教授。其中姚旭平为论文第一作者。

  

自拓扑绝缘体的提出与发现开始,学术界对电子能带拓扑的研究兴趣日益高涨。Bi2Se3等材料中反常量子霍尔效应正是这一领域里程碑式的发现。在这一体系中,拓扑绝缘体表面的Dirac电子因铁磁性掺杂而打开能隙,这导致价带拥有非平庸的陈数,从而形成支持量子化霍尔输运的手征边缘态。从另一个角度来看,Dirac型的巡游电子和铁磁性的局域磁矩均是相对简单的,然而二者的相互作用却产生了奇特的反常量子霍尔效应。量子材料中近自由电子之外的自由度能否对电子能带进行有效的调控,他们间的相互作用能否产生更加非平凡的现象?

  

受上述问题启发,陈钢课题组对镨基烧绿石铱氧化物Pr2Ir2O7进行了研究。实验上,这一材料在零温极限下仍然保持金属性,近期的研究显示铱提供的5d传导电子在布里渊区原点表现为二次型能带接触,半满填充下费米面穿过能带接触点形成所谓Luttinger半金属。而镨提供的4f局域磁矩在烧绿石晶格上构成一种特殊的自旋冰构型,此构型最早由MelkoHertogGingras研究并得名。该课题组先前的工作指出,这一特殊的自旋冰构型可以通过一个量子相变与著名的U(1)自旋液体相联系。

  

Pr2Ir2O7中局域磁矩对传导电子的影响为探究两种自由度间的相互耦合提供了自然的平台。该工作预言,镨的伊辛型磁序等效于一个内禀的磁场重构了铱电子能带。具体来说,后者在布里渊区原点的四重兼并被解除,在费米面乃至及整个布里渊区附近产生大量Weyl点。除此之外,镨MHG自旋态的磁平移操作对称性保护了铱电子在一些特殊的时间反演不变动量点上形成的Dirac型兼并。尽管在外加磁场作用下,Dirac型兼并因对称性消失而解除,受拓扑保护的Weyl点却得以留存仅改变相对位置。进一步地,人为地调控磁场可以改变镨的磁构型,进而间接影响铱的传导电子,实现在不同拓扑相之间的量子调控。

  

作者们提议了包括角分辨光电子能谱(ARPES),光学测量以及磁输运测量在内的多种实验手段来检验理论预言。实验材料也不仅限于Pr2Ir2O7,而是可以拓展到诸如半Hesuler化合物RGeXRe=稀土元素,X=Si/Ge)和稀土磷族化合物CeSb在内的具有类似局域磁矩和巡游电子的体系中。这项工作有助于人们加深对量子材料中多重自由度间相互作用的理解,并激发这一领域更多的研究兴趣。

  

该项研究得到了科技部,复旦大学启动基金和一流大学建设基金,以及国家青年千人计划的共同资助。




【关闭窗口】