北理工在拓?fù)涔?jié)線準(zhǔn)半金屬研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-01-17 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：吳楠 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
日前，北京理工大學(xué)姚裕貴教授、劉鋮鋮教授以及博士研究生張閏午、張澤英，在新型準(zhǔn)半金屬拓?fù)淞孔討B(tài)研究方面取得重要進(jìn)展，提出了一種新的拓?fù)淞孔游飸B(tài)：自旋零帶隙節(jié)線半金屬，并預(yù)言了一系列具有自旋零帶隙節(jié)線半金屬態(tài)特征的真實(shí)材料。
探索拓?fù)鋺B(tài)和磁性態(tài)是凝聚態(tài)物理和材料物理領(lǐng)域重要的研究課題，拓?fù)湫蚺c磁有序的相互作用，能衍生出更為豐富的物理效應(yīng)。磁性拓?fù)錅?zhǔn)金屬(semimetal)因具有特殊的拓?fù)浔砻鎽B(tài)（費(fèi)米弧、鼓膜表面態(tài)等）、奇異的輸運(yùn)性質(zhì)（負(fù)磁阻、磁光性質(zhì)等）以及高的載流子遷移率等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。然而目前已發(fā)現(xiàn)和合成的磁性拓?fù)錅?zhǔn)金屬絕大多數(shù)的能帶節(jié)點(diǎn)或節(jié)線遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí)，導(dǎo)致本該具有的奇特性能實(shí)驗(yàn)上難以觀測(cè)，因而搜尋能帶節(jié)點(diǎn)或節(jié)線恰好在費(fèi)米能級(jí)處的理想磁性拓?fù)錅?zhǔn)金屬仍是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。另一方面，自旋極化率為100%的磁性半金屬(half-metal)在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)，北京理工大學(xué)姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)最近提出了一種新型拓?fù)淞孔游飸B(tài)——自旋零帶隙節(jié)線半金屬，即兼具準(zhǔn)金屬(semimetal)和半金屬(half-metal)獨(dú)特物性的一種新型準(zhǔn)半金屬拓?fù)淞孔討B(tài)。
圖1 自旋零帶隙節(jié)線半金屬的不同類型及相應(yīng)的態(tài)密度。紅色代表自旋向上的通道，藍(lán)色代表自旋向下的通道。黃色代表節(jié)線態(tài)。
該研究工作首先對(duì)自旋零帶隙節(jié)線半金屬進(jìn)行了分類：一類是由相反自旋成份形成的節(jié)線，另一類是由相同自旋成份構(gòu)成的節(jié)線，如圖1所示。后者在費(fèi)米能級(jí)處的電子具有相同的自旋態(tài)，因而電子具有100%的自旋極化率，預(yù)計(jì)在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景。進(jìn)一步該工作預(yù)言了一系列具有自旋零帶隙節(jié)線半金屬態(tài)特征的真實(shí)理想材料，如圖2所示。該類材料中的拓?fù)涔?jié)線自旋零帶隙半金屬受時(shí)間和空間反演或滑移鏡面對(duì)稱性保護(hù)，且具有自旋極化的表面平帶，這表明該類材料還有可能給關(guān)聯(lián)自旋物理提供一個(gè)理想的研究平臺(tái)。該工作將為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)和應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)高效低耗、高集成度的微型化新型拓?fù)渥孕娮訉W(xué)器件和拓?fù)淞孔悠骷忍峁撛诳赡堋?/p>
圖2 (a-c)為所預(yù)測(cè)的10種具有 R -3c 和 R 3c 空間群材料。圖(d)和(e)分別為兩種典型候選材料PdF3和ZnTiMn(PO4)3的自旋極化能帶圖和態(tài)密度圖。圖(f)和(g)分別為PdF3和ZnTiMn(PO4)3的[111]面的表面色散和態(tài)密度。
該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京理工大學(xué)等單位的支持。
該工作發(fā)表于物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》： Run-Wu Zhang, Zeying Zhang, Cheng-Cheng Liu, and Yugui Yao; “Nodal Line Spin-gapless Semimetals and High-quality Candidate Materials”, Physical Review Letters, 124, 016402 (2020).
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.016402
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