中國科大在新型拓?fù)洳牧贤鉅柊雽?dǎo)體研究中取得進展

在新型量子材料中，具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)洳牧弦布婢咝缕骐娮虞斶\特性。相關(guān)研究不僅可以加深對于拓?fù)湮飸B(tài)的理解，更有望推動新型高性能電子學(xué)器件的發(fā)展。一個典型的代表是目前引起廣泛關(guān)注的外爾半金屬體系，其輸運研究往往表現(xiàn)出超大非飽和磁阻、平行磁場下的負(fù)磁阻效應(yīng)、平面霍爾效應(yīng)等諸多特性，而表面外爾弧更是提供了高遷移率和低功耗的電子學(xué)通道。這些特性都源自費米面附近外爾費米子的存在。

　　迄今為止，對于外爾費米子以及外爾物理的研究都局限于半金屬體系。然而從器件應(yīng)用角度，半導(dǎo)體相對于半金屬有其獨特的價值。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心和物理系中科院強耦合量子材料物理重點實驗室教授曾長淦研究組與王征飛研究組實驗與理論合作，首次在單元素半導(dǎo)體碲中發(fā)現(xiàn)了由外爾費米子主導(dǎo)的手性反�，F(xiàn)象以及以磁場對數(shù)為周期的量子振蕩，成功將外爾物理拓展到半導(dǎo)體體系。該研究成果以Magneto-transport signatures of Weyl physics and discrete scale invariance in the elemental semiconductor tellurium 為題，于5月12日在線發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上（DOI: 10.1073/pnas.2002913117）。

　　碲是一種窄能帶半導(dǎo)體，由于空間反演對稱性破缺以及相應(yīng)的強自旋軌道耦合，在價帶頂附近存在能帶交叉的外爾點。該團隊通過物理氣相沉積法制備出高質(zhì)量碲單晶，其空穴自摻雜特性使費米能級處于價帶頂，進而顯著增強了外爾費米子對輸運性質(zhì)的影響。低溫輸運研究進一步揭示了碲單晶表現(xiàn)出由于手性反常導(dǎo)致的典型磁輸運特征，包括磁場平行于電流方向時的負(fù)磁阻效應(yīng)，以及磁場在樣品平面時發(fā)生的平面霍爾效應(yīng)。借助于合肥中科院強磁場科學(xué)中心以及武漢國家脈沖強磁場科學(xué)中心的強磁場裝置，該團隊更進一步發(fā)現(xiàn)了罕見的以磁場對數(shù)為周期的磁阻和霍爾電阻量子振蕩。這種新型量子振蕩是自相似的離散標(biāo)度不變性的體現(xiàn)，可以歸因于碲晶體中精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)（7.5）遠(yuǎn)大于真空取值（1/137）從而使外爾費米子與異性電荷中心形成共振態(tài)形式的準(zhǔn)束縛態(tài)。

[attachment=100738]　　
圖：a. 外爾半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)示意圖，圓圈表示外爾點。b. 手性反常導(dǎo)致的負(fù)磁阻效應(yīng)。c.d. 強磁場下觀測到的以磁場對數(shù)為周期的磁阻振蕩行為。

　　該工作首次實現(xiàn)了將新奇拓?fù)鋵傩院桶雽?dǎo)體屬性有機結(jié)合的“拓?fù)渫鉅柊雽?dǎo)體”。如果把費米能級從價帶調(diào)到能隙，會發(fā)生金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，并伴隨拓?fù)浞瞧接箲B(tài)到平庸態(tài)的轉(zhuǎn)變，這一外爾半導(dǎo)體獨有的特性不存在于外爾半金屬。外爾半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為設(shè)計新型拓?fù)浒雽?dǎo)體器件提供了新思路。