Nat. Commun.:Weyl半金属NbAs与多拓扑载体的手性朗道能级


【引言】

最近,Weyl半金属已经诸多晶体中被发现。通过Weyl半金属表面的光电子能谱观察到了具有独特自旋结构的费米弧,并在磁场下产生了新的回旋轨道。Weyl半金属中的手征反常也现象已被广泛观测到。尽管作为手征异常的一个重要前提,也是Weyl费米子的独特标志,非常规的手征朗道能级还没有被探测到。

【成果简介】

近日,来自复旦大学的修发贤(通讯作者)和晏湖根(共同通讯作者)的团队在Nat. Commun.发表了题为Chiral Landau levels in Weyl semimetal NbAs with multiple topological carriers的文章,报道了Weyl半金属NbAs中朗道量子的磁光学研究。高磁场驱使系统朝向量子极限,观察到两个不等价的Weyl节点中的第零手征朗道能级,与其他朗道能级相比,第零手征朗道能级在磁场方向上表现出明显的线性色散,并允许光学跃迁不受零动量的限制。研究结果提供了Weyl费米子中手性朗道能级的证据,并展示了磁光谱是研究复杂拓扑系统的有效工具。该课题组袁翔是第一作者,来自于清华的严忠波和复旦的宋超宇是该文章的共同一作。

【图文导读】

1:材料特性和磁光谱

a: NbAs体心四方结构;

b: 单晶XRD谱图,显示NbAs单结晶的(001)晶面;

c: 磁光实验装置的示意图;

d: 不同磁场下NbAs的磁光谱。

2:光学跃迁

a: 远红外范围跃迁能量与B1/2的关系;

b: 来自实验(黑色)和拟合(红色)的归一化反射数据;

c: Weyl费米子中的朗道能级色散;

d: 跃迁能量与朗道指数;

3:量子极限和手征朗道能级

a-b: 纵向磁阻,磁场分别高达60T和10T,对于两个Weyl节点,在12T和19T处达到量子极限,插图显示了实验装置的示意图;

c: 朗道能级图, 朗道指数是针对1/B绘制的,电阻率峰代表整数朗道指数;

e-f: W1和W2的朗道能级色散的示意图。

4大量费米子具有不同拓扑性质的朗道能级图

a: 谐振能量与磁场的关系;

b: 反转和正常间隙情况下的朗道能级图;

c: 分别为b和c中最低两个光学跃迁的频率对B与B1/2关系。

5:大量费米子具有不同拓扑性质的朗道风扇图

NbAs中总结的准粒子的朗道量子化,虚线是费米能级,箭头表示允许的光学跃迁,红色和蓝色分别表示Weyl节点1和Weyl节点2的转变,绿色和灰色分别表示有无电子带反转带隙电子带的跃迁。

【小结】

该团队通过磁光谱学研究了NbAs中多个谱带的准粒子动力学。利用在高磁场下磁光谱手段探测朗道能级的优势,非常规的光学跃迁揭示了第零手征朗道能级的存在。有限散射有助于增强手征朗道能级的光学跃迁。此外,发现两个不等价的Weyl节点具有不同的费米速度,拟合光学跃迁的磁场依赖性揭示了费米速度较高的NbAs中的Weyl节点具有更强的粒子空穴不对称性。对Weyl费米子和大量费米子之间的朗道量子化进行比较,进一步验证第零手征朗道能级的独特特征。

文献链接:Chiral Landau levels in Weyl semimetal NbAs with multiple topological carriers(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04080-4)

【课题组简介】

晏湖根课题组主要从事低维和量子材料的光谱研究,特别是新奇材料在远红外及红外区域的光学性能及磁光响应。近年来,课题组在石墨烯等离激元学、黑磷的能带结构和能带调控、二维材料的激子以及拓扑半金属的磁光特性等领域取得多项进展。”

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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