修發(fā)賢課題組發(fā)表關(guān)于新型外爾電子回旋軌道的綜述論文(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2021-09-03

近日，復(fù)旦大學(xué)物理系教授修發(fā)賢應(yīng)邀在《自然-綜述-物理》（Nature Reviews Physics）發(fā)表關(guān)于新型外爾電子回旋軌道的綜述論文，論文以《費(fèi)米弧電子在外爾軌道中的回旋輸運(yùn)特性》（“Cycling Fermi arc electrons with Weyl orbit”）為題于7月15日在線發(fā)表。

 

外爾軌道是拓?fù)浒虢饘僦刑赜械囊环N新型電子回旋軌道。晶體中常規(guī)的電子回旋軌道是電子在磁場下受洛侖磁力作用，沿著倒空間中費(fèi)米面垂直于磁場的截面邊界作閉合曲線回旋運(yùn)動(dòng)。這一行為會(huì)導(dǎo)致Shubnikov de Haas(SdH) 量子振蕩、回旋共振、量子霍爾效應(yīng)等一系列重要的物理現(xiàn)象。近年來，由南京大學(xué)教授萬賢綱等人提出的新型拓?fù)潆娮硬牧?拓?fù)浒虢饘俦荒蹜B(tài)物理的研究人員廣泛關(guān)注。拓?fù)浒虢饘袤w態(tài)存在能帶交疊點(diǎn)，對應(yīng)的準(zhǔn)粒子激發(fā)可近似認(rèn)為是無質(zhì)量的外爾費(fèi)米子。拓?fù)浒虢饘俚囊粋€(gè)重要特性是非閉合的費(fèi)米弧表面態(tài)，其兩個(gè)端點(diǎn)最終連接的是體態(tài)的外爾點(diǎn)，因此正常情況下不會(huì)形成回旋軌道。然而如果考慮薄層器件構(gòu)型，上下表面的費(fèi)米弧能夠在磁場下耦合起來形成閉合回路，用于連接的正是同樣穿過外爾點(diǎn)的體態(tài)手性能級，就如同在晶體中構(gòu)建了一個(gè)連接不同表面的蟲洞，能讓電子發(fā)生自由隧穿。

 

圖1. （a）拓?fù)浒虢饘袤w態(tài)和表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)。（b）外爾軌道示意圖。

 

這一理論最早由哈佛大學(xué)Ashvin Vishwanath等人提出，并在2016年被加州大學(xué)伯克利分校James Analytis課題組通過聚焦離子束切割的砷化鎘納米結(jié)構(gòu)中的SdH量子振蕩實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)。2017年，復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢課題組和中科院強(qiáng)磁場科學(xué)中心的田明亮課題組也分別在直接生長的本征砷化鎘納米片中觀測到外爾軌道的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。修發(fā)賢還發(fā)現(xiàn)在提升晶體質(zhì)量降低體態(tài)載流子濃度后，砷化鎘納米片中的量子振蕩會(huì)進(jìn)一步演化成量子霍爾效應(yīng)，從半經(jīng)典的回旋運(yùn)動(dòng)進(jìn)入了彈道輸運(yùn)的量子電導(dǎo)范疇。與此同時(shí)，南方科技大學(xué)盧海舟課題組和北京大學(xué)謝心澄課題組也在理論上指出外爾軌道可以被看成三維空間中連接兩個(gè)平面的“蟲洞”，能作為實(shí)現(xiàn)三維體系量子霍爾效應(yīng)的新方案。這些突破性進(jìn)展引起了領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注，東京大學(xué)、加州大學(xué)圣巴巴拉分校、北京大學(xué)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)室也先后對砷化鎘體系的量子霍爾效應(yīng)開展了深入的研究。

 

圖2.（a）二維量子霍爾效應(yīng)圖示。（b）基于外爾軌道的三維量子霍爾效應(yīng)圖示。（c）砷化鎘中的三維量子霍爾回旋軌道和邊緣態(tài)示意圖。

 

在該綜述論文中，作者對外爾軌道的形成機(jī)制和物理特性等方面作了系統(tǒng)性的介紹，并從三維量子霍爾效應(yīng)和低散射幾率特性兩個(gè)方面深入研究了外爾軌道在材料電學(xué)行為中的影響。外爾軌道在保證朗道能級不色散的條件下，引入了平行磁場的第三個(gè)維度無耗散運(yùn)動(dòng)。這個(gè)特殊物理過程使得量子霍爾回旋軌道突破了二維空間的限制，拓展到了更高維度。同時(shí)，外爾軌道中的費(fèi)米弧由于其準(zhǔn)線性的電子結(jié)構(gòu)，能有效抑制電子間的散射幾率，在高電子態(tài)密度的情況下仍能具有很高的遷移率。這一特性為材料科學(xué)尋找高性能導(dǎo)體、降低電子散射耗散提供了一個(gè)可行思路。

 

此外，外爾軌道的很多新奇特性和現(xiàn)象也被不斷發(fā)掘。蘇州大學(xué)江華和北京大學(xué)謝心澄團(tuán)隊(duì)給出了不同晶向和不同磁場下的外爾軌道量子霍爾邊界態(tài)的物理圖像，并提出可利用傾斜磁場實(shí)現(xiàn)對三維量子霍爾邊界態(tài)的空間調(diào)制。魏茨曼科學(xué)研究所Ady Stern課題組發(fā)現(xiàn)外爾軌道可以用來誘導(dǎo)非局域的直流和交流電壓響應(yīng)，利用外爾軌道構(gòu)建的“蟲洞”實(shí)現(xiàn)特定能量微波共振傳輸，可用于帶寬濾波器等電子器件。南洋理工大學(xué)Justin Song等人發(fā)現(xiàn)基于費(fèi)米弧可以形成一類新型的雙曲等離激元。德國馬普所Claudia Felser等人報(bào)道利用費(fèi)米弧的高遷移率特性在氫催化反應(yīng)中進(jìn)行應(yīng)用，這一發(fā)現(xiàn)使得拓?fù)浒虢饘俪蔀槿碌臍浯呋w系。這些研究思路和方案也不斷拓展著拓?fù)浒虢饘俚难芯壳把?，深化人們對拓?fù)湮飸B(tài)的認(rèn)識(shí)。

 

該研究工作的合作團(tuán)隊(duì)包括北京大學(xué)謝心澄院士、張億教授和南方科技大學(xué)盧海舟教授。該工作獲得了復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，應(yīng)用表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)重大項(xiàng)目的大力支持與資助。論文的第一單位為復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，通訊作者為修發(fā)賢，第一作者為復(fù)旦大學(xué)微納電子器件與量子計(jì)算機(jī)研究院青年研究員張成。

 

修發(fā)賢課題組主要從事拓?fù)洳牧系纳L、量子調(diào)控以及新型低維原子晶體材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的制備與表征。在新型低維原子晶體材料的器件方面主要研究其電學(xué)、磁學(xué)和光電特性。

 

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s42254-021-00344-z