【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，《物理評論快報》(Physical Review Letters)正式刊發(fā)了國家脈沖強磁場科學(xué)中心張驍驍教授團隊在拓撲半金屬系統(tǒng)磁輸運方面的研究成果，題為“Nonmonotonic Hall effect of Weyl semimetals under a magnetic field”，并被選為期刊編輯推薦論文。張驍驍為論文第一作者兼通訊作者，日本理化學(xué)研究所Naoto Nagaosa教授為共同通訊作者。
霍爾效應(yīng)及相關(guān)的磁輸運一直是固體系統(tǒng)中新物理的重要來源。近年來，拓撲量子材料的涌現(xiàn)顯著激發(fā)了相關(guān)的輸運研究，拓撲半金屬正是其在三維空間的代表，具有類似于高能相對論性粒子的線性色散及獨特的電子拓撲行為。沒有外加磁場時，其表面態(tài)可產(chǎn)生作為磁性拓撲半金屬標(biāo)志的反常霍爾效應(yīng)。這類破壞時間反演對稱性的系統(tǒng)在理論上被預(yù)測，并在Mn3Sn、GdPtBi、Co3Sn2S2、PrAlSi等材料中進行了實驗研究。霍爾磁輸運通常被分解為對磁場線性依賴的普通霍爾效應(yīng)和由自發(fā)磁化引起的反常霍爾效應(yīng)。然而，實驗中卻經(jīng)常發(fā)現(xiàn)非單調(diào)和非線性的霍爾信號，與以上簡化但廣為接受的圖像相矛盾，至今未有明確的物理機制與理解。這是一種單純的現(xiàn)象學(xué)上的巧合，還是由于各種材料背后隱藏著一些共同機制，值得科研人員進行進一步研究。
圖1：(a)典型拓撲半金屬中的貝里曲率與外加磁場；(b)外磁場下非單調(diào)的霍爾效應(yīng)
本工作通過微觀理論計算嘗試回答了這一問題，在拓撲半金屬中提出了一個系統(tǒng)性的具有非單調(diào)外磁場依賴的新型霍爾效應(yīng)，結(jié)合了內(nèi)在的時間反演對稱破缺的拓撲以及外場誘導(dǎo)的磁量子效應(yīng)。該研究發(fā)現(xiàn)了兩種相關(guān)的機制——朗道能級彎曲和手性朗道能級移動——以及它們與Shubnikov-de Hass量子震蕩效應(yīng)的關(guān)系。這一新型霍爾效應(yīng)在薄膜和塊體樣品中都很普遍，特別是與這類體系中提出的許多其他現(xiàn)象不同，并不需要對化學(xué)勢進行精細調(diào)節(jié)。這些特性解釋了實驗中廣泛觀察到的反常現(xiàn)象，并提供了具體的物理圖像，有望指導(dǎo)未來進一步的實驗探測，代表了拓撲、自發(fā)磁性和外場調(diào)控的三方交叉點上的新物性。
此前，張驍驍團隊還在拓撲半金屬系統(tǒng)的表面譜學(xué)與體表耦合方面取得進展，于今年3月在《美國國家科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences， PNAS)發(fā)表了題為“Surface spectroscopy and surface–bulk hybridization of Weyl semimetals”的論文。該研究重點關(guān)注了輸運之外的譜學(xué)性質(zhì)，為各種典型外爾半金屬提出了一個表面附近嚴(yán)格可解的理論，統(tǒng)一處理共振表面態(tài)和體態(tài)的共存，揭示了體-表混合的缺失數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)體-表合并的邊界線周圍存在非均勻且各向異性的奇性響應(yīng)，將為深入的譜學(xué)、輸運、光電響應(yīng)等研究提供指引，有助于探索多種拓撲量子材料中非平凡的體-表混合物性。
圖2：(a)譜權(quán)重中共存的表面態(tài)與體態(tài)；(b)體-表合并的邊界線附近的奇性譜學(xué)信號
張驍驍于今年3月正式加入我校國家脈沖強磁場科學(xué)中心，是中心新引進的優(yōu)秀青年人才，主要從事理論凝聚態(tài)物理研究，在拓撲和強關(guān)聯(lián)體系的量子輸運、量子物質(zhì)的磁光激發(fā)與探測等方向已取得了系列研究成果，在國際高水平期刊發(fā)表論文近30篇。
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