拓扑外尔半金属的第一张“家族合影”

11月2日，国际一流学术期刊《Nature Materials》（2014年度影响因子：36.503）在线发表了我校物质学院光子科学与凝聚态物理部助理教授柳仲楷、郭艳峰，副教授颜丙海和特聘教授陈宇林等题为“Evolution of the Fermi surface of Weyl semimetals in the transition metal pnictide family”的研究论文，其中柳仲楷为并列第一作者（排名第一），陈宇林为通讯作者，上科大为第一单位。

这项研究成果为进一步探索拓扑外尔半金属的非凡物理现象（比如磁场具有手性的电响应、负磁阻、量子反常霍尔效应等）以及实现新型电子器件应用（源自其优异输运性质）等方面提供了重要的材料选择和性能调控的物理基础。

通常情况下，科学的不同领域研究着不同的问题，这些问题需要不一样的概念和研究方法予以解决。但有时候，新的概念在某一研究领域提出后，却能够率先在另一领域也得到实现和推广，并引导出新的科学发现。这样的例子虽不常见，但它们的出现却能充分展示出科学规律的普适、深刻和美丽。随着科学的交叉融合，越来越多的重要发现将得益于此。

凝聚态物理近期的热门领域，如关于狄拉克费米子和Majorana费米子的研究就是这样的一个例子。这两种基本粒子的模型在高能物理的研究中被首先提出，推广到凝聚态物理后，在固体材料中发现了相应的存在证据或迹象。无独有偶，外尔(Weyl)费米子的概念从高能物理(一度被认为是中微子的模型）推广到凝聚态物理的研究领域之后，引导科学家发现了另一个新的量子材料——三维拓扑外尔半金属。这种材料兼有“三维的石墨烯”及拓扑绝缘体的优良性质：一方面，拓扑外尔半金属中的导电体电子是“外尔费米子”。这些电子具有手性，在动量空间某些特殊点附近沿着三个动量方向均具有线性的动能—动量色散关系。这些动量空间的特殊点（外尔点）能够被视作动量空间的“磁单极子”；另一方面，拓扑外尔半金属具有非平庸拓扑表面态，他们构成了一些奇异的且不闭合的费米面结构，即“费米弧”。费米弧起始及终结于具有不同手性的外尔点，如同磁力线连接起了具有不同极性的磁单极子并且永不闭合。

由于三维拓扑外尔半金属在体相和表面拥有了这些不平凡的电子结构，所以使其具有许多奇异的物理现象，比如对于磁场具有手性的电响应、负磁阻、量子反常霍尔效应、磁阻的奇特量子振荡以及隧穿谱上的量子干涉等等。与此同时，在一些实验证实的三维拓扑外尔半金属中，人们已经观测到了非常优异的电学输运性质，比如超高载流子迁移率（如NbP中为5×10⁶厘米²/（伏·秒））、极端庞大磁阻现象（如NbP中为850,000%）等等。这些优异的性质不仅使三维拓扑外尔半金属成为基础物理研究的理想材料，也使之成为新型电子学器件的重要候选材料。

要找到一个拓扑外尔半金属，最直接的手段就是“给电子拍照”，即在材料的电子结构中寻找前述的特征“费米弧”结构：这些非闭合的费米面结构与一般材料的闭合结构相比具有拓扑上的不同。使用这个研究手段，我校物质学院的研究者与其他科研机构密切合作，今年早些时候已经在拓扑外尔半金属TaAs的发现中取得了重要成果（Nature Physics，11，728（2015））。

在《Nature Materials》刚刚发表的工作中，我校物质学院的研究者报道了三种拓扑外尔半金属候选材料——属于砷化钽（TaAs）晶体同等结构家族的TaAs、NbP（磷化铌）和TaP（磷化钽）——的电子结构。研究者们使用了角分辨光电子能谱实验技术测量了这些电子结构，并通过第一性原理计算进行了理论推演。这些综合性的研究手段实现了“给电子拍照”，在三种材料的“照片”中均能清楚地找到特征“费米弧”结构，从而证实了这些材料均为拓扑外尔半金属。此项工作不仅给拓扑外尔半金属家族增加了两位成员（NbP和TaP），更重要的是观测到了“费米弧”结构会随着自旋轨道耦合（原子中电子运动的一种相对论效应，随着元素不同而发生改变）强度发生的系统性演化。“这项发现证实了自旋轨道耦合效应是实现和调制拓扑外尔半金属特有电子结构的重要物理机制”，柳仲楷这样评述道，“它像是一个旋钮，让我们能够有效调节拓扑外尔半金属材料的物理性质”。

此项工作主要参与者除了我校物质学院的两位助理教授、一位副教授、一位特聘教授之外，还有来自于英国牛津大学、清华大学以及德国马普固体化学物理研究所（德累斯顿）等机构的研究人员。

文章链接：Evolution of the Fermi surface of Weyl semimetals in the transition metal pnictide family

拓扑外尔半金属的“家族合影”。(a) 外尔费米子，外尔点与费米弧的示意图。(b) 理论计算和实验测得的在三种材料中有规律变化的外尔点和费米弧。(c) 外尔点的距离随着自旋轨道耦合强度增加而变大。