中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
A02組供稿
第63期
2022年08月15日
發現拓撲晶體絕緣體ErAsS

  新型拓撲材料和拓撲相變的發現對于推動凝聚態物理和材料物理的發展具有重要意義。其中,具有非平庸能帶交叉的拓撲材料,包括具有二重簡并能帶交叉的外爾半金屬和具有四重簡并能帶交叉的狄拉克半金屬等,表現出奇異的表面態和新奇的量子效應,比如三維霍爾效應、手征反常磁電阻及強二次諧波等。同樣具有非平庸能帶交叉的沙漏型表面態位于沙漏狀色散頸部的頂點,其獨特的色散特性意味著新奇的拓撲物相和拓撲特性,比如沙漏型外爾點、節點鏈及節點網絡等。迄今為止,理論預測的具有沙漏型表面態的候選材料由于空氣敏感、雜帶色散和解理困難等問題,尚未得到實驗驗證。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析實驗室A02組研究生陳洪祥(已就職于福建工程學院)、陳龍、王剛研究員和陳小龍研究員,與凝聚態理論與材料計算重點實驗室T03組博士生高嘉成和翁紅明研究員、極端條件物理重點實驗室EX7組錢天研究員、表面物理國家重點實驗室SF9組陳嵐研究員、上海交通大學物理與天文學院馬杰教授、美國橡樹嶺國家實驗室葉峰博士及中國科學院物理研究所先進材料與結構分析實驗室A04組張慶華副研究員、中國人民大學劉娟娟博士、汪晉辰博士和南方科技大學盛潔明博士等合作,設計并生長出正交相ErAsS單晶,結合理論計算和角分辨光電子能譜(ARPES)證實其為潛在的具有沙漏型表面態的拓撲晶體絕緣體。

  該材料可認為是在二維As層間插入ErS層,利用X射線單晶衍射和高分辨球差電鏡,證實ErAsS的空間群為Pnma (No. 62),二維As層內的As原子因為畸變形成zig-zag鏈。利用中子衍射譜儀CORELLI結合磁性測量確定了ErAsS的磁結構轉變:在10 K為順磁相;在3.27 K以下為具有磁波矢(0.5, 0, 0.5)的共線反鐵磁相,磁空間群為Pa21/m (No. 11.55),磁胞沿著a軸和c軸方向分別擴大兩倍,易磁化軸是b軸;在反鐵磁和順磁相之間存在正弦波調制的非公度磁結構,磁波矢為(0, 0, 0.47)。


圖1. 單晶中子衍射確定的ErAsS磁結構轉變。

  理論計算表明ErAsS在費米面附近具有大能量尺度的線性色散和能帶交叉,并在自旋軌道耦合的作用下打開帶隙(約100meV)。進一步分析表明ErAsS在順磁態下具有滑移面保護的沙漏型表面態和螺旋軸保護的高階棱態,屬于拓撲不變量Z4 = 2的拓撲晶體絕緣體。ARPES實驗觀測到的能帶結構與理論預測結果相一致。相比于其它可能具有沙漏型表面態的候選材料,ErAsS具有穩定、無雜帶色散及易解離等優勢,有望成為實驗研究沙漏型表面態及其輸運特性的理想材料平臺。考慮到存在磁結構轉變和磁漲落特性,基于畸變四方二維As層結構基元的材料極有可能成為實現陳絕緣體或量子反常霍爾絕緣體的候選體系。


圖2. ErAsS順磁相的能帶結構。


圖3. 沙漏型表面態及磁性調制的各種拓撲物相。

  本工作得到國家自然科學基金重點和面上項目、國家重點研發計劃項目、中國科學院前沿科學重點研究計劃項目和中國科學院戰略性先導科技專項的支持。相關成果近期發表在Advanced Materials 34(31) 2110664 (2022)。

H. X. Chen, J. C. Gao, L. Chen, G. Wang, H. Li, Y. L. Wang, J. J. Liu, J. C. Wang, D. Y. Geng, Q. H. Zhang, J. M. Sheng, F. Ye, T. Qian, L. Chen, H. M. Weng, J. Ma, X. L. Chen, Topological crystalline insulator candidate ErAsS with hourglass fermion and magnetic-tuned topological phase transition, Adv. Mater. 34(31) 2110664 (2022).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202110664