物质学院陈宇林-柳仲楷课题组实现拓扑半金属电子结构原位人工调控

近日，我校物质学院陈宇林-柳仲楷课题组在拓扑外尔半金属的电子结构人工调控研究中取得重要进展：采用表面修饰的方式，首次实现外尔半金属表面费米弧的原位操纵并直接观察到拓扑Lifshitz转变。目前该成果以“Topological Lifshitz transitions and Fermi arc manipulation in Weyl semimetal NbAs”为题，在知名学术期刊《Nature Communications》上在线发表。

拓扑外尔半金属是近年来发现的重要拓扑量子材料之一。它具有奇特的拓扑电子能带结构：该种材料的体内导带和价带线性接触形成 (成对出现) 具有手性的外尔点，不同手性的外尔点由奇特的拓扑表面费米弧（非封闭的费米面）所连接。这些非平庸的拓扑能带结构能导致一系列重要的物理现象，包括手性反常、三维量子霍尔效应、非局域电压产生效应等。为了研究外尔半金属的拓扑性质和有效实现其器件的开发应用，对其拓扑电子结构进行人工调控至关重要。

在此次发表的工作中，陈宇林-柳仲楷课题组通过超高真空原位表面修饰（钾原子）的方式，巧妙实现了拓扑外尔半金属NbAs表面费米弧的人工调控。表面修饰前后不仅费米弧的形状和长短发生了显著变化；更重要的是费米弧所连接的成对外尔点发生了改变，从而导致了拓扑Lifshitz转变。除此之外，表面修饰还消除了原有的平庸表面态，使得费米面仅仅由体外尔点和拓扑费米弧所构成。这些改变不仅对调控拓扑电子输运现象与非原位电磁效应提供了一个具体的方法，而且还直接验证了表面费米弧的拓扑稳定性­——即使样品表面经过修饰导致电子结构发生巨大变化，表面费米弧依然存在，并且始终连接不同手性的外尔点。这个研究结果为将来基于拓扑半金属的器件开发及应用提供了一个具有可操作性的重要方向。

该论文中，物质学院杨海峰助理研究员和柳仲楷助理教授、清华大学杨乐仙助理教授、马普所-固体化学物理所孙岩博士为共同第一作者，物质学院陈宇林特聘教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。该研究得到了国家科技部、国家自然科学基金委、上科大启动经费、中国博士后科学基金等的大力支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11491-4

表面修饰导致的NbAs费米弧的拓扑Lifshitz转变。a. 示意图：外尔半金属费米弧的拓扑Lifshitz转变; b. 表面修饰导致拓扑Lifshitz转变的具体能带演变; c. 转变前后能带的三维展示（感谢物质学院付震霄同学）。