【摘 要】
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近二十年来,拓扑概念从数学分支引入到凝聚态物理领域,并扩展到固体能带理论,极大促进了凝聚态物理的发展。从量子霍尔效应的发现,到三维拓扑绝缘体的实验验证,再到如今拓扑半金属的飞速发展,各类新型的拓扑电子态正在逐渐被发现。拓扑材料具有丰富且新颖的电子态结构,对于自旋电子学和拓扑量子计算等领域有很大的应用前景。目前人们在层状拓扑材料中发现了许多新奇的物理现象,比如量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态、高阶拓扑
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
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近二十年来,拓扑概念从数学分支引入到凝聚态物理领域,并扩展到固体能带理论,极大促进了凝聚态物理的发展。从量子霍尔效应的发现,到三维拓扑绝缘体的实验验证,再到如今拓扑半金属的飞速发展,各类新型的拓扑电子态正在逐渐被发现。拓扑材料具有丰富且新颖的电子态结构,对于自旋电子学和拓扑量子计算等领域有很大的应用前景。目前人们在层状拓扑材料中发现了许多新奇的物理现象,比如量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态、高阶拓扑绝缘体等。本文结合材料单晶生长和物性测量,对HoSbTe和Pr Pd0.82Bi2等新的层状反铁磁拓扑电子材料进行了系统性的研究,同时也生长了其他高质量的层状拓扑材料单晶样品。主要内容如下:1.首次发现了HoSbTe新材料,并制备出了高质量的单晶样品。结合实验和理论计算,系统研究了磁性拓扑候选材料HoSbTe的结构、磁性和电输运性质。HoSbTe为四方层状结构,空间群为P4/nmm,其中Sb形成四方网状结构,嵌插在Ho Te层之间。物性测量表明,在温度～4 K时,HoSbTe中发生顺磁-反铁磁相变。通过第一性原理计算和角分辨光电子能谱仪实验发现,HoSbTe为弱拓扑材料。我们实验结果为研究在层状结构材料中的磁性和拓扑费米子之间的相互作用提供了一个很好的平台。2.系统研究了新型层状反铁磁材料Pr Pd0.82Bi2的物性、结构和磁结构。磁性和比热测量表明在～7 K时,材料发生顺磁-反铁磁相变。同时材料具有较大的索末菲系数为329.23 m J·mol-1·K-2,这意味着可能存在重费米子行为。结合中子粉末和单晶衍射实验,研究了该化合物的磁结构。实验发现在该材料TN以下形成了具有传播波矢为k=（0 0 0）的A型反铁磁结构。Pr3+磁矩沿着晶体c轴排列,在4 K时有序磁序为1.694（3）μB,比自由Pr3+的有效磁矩3.58μB要小很多。该样品尺寸较大,可达1 cm×1 cm大小,且极易解理,这为未来制备器件研究系统中磁性、重费米子以及拓扑能带之间的相互作用提供了新的机会。3.生长了高质量的Pt Bi2、Nb2n+1SinTe4n+2、Nb Ge1/3Te2、La Sb Te等具有层状结构的单晶材料,并对其结构和物性进行测量及研究。通过角分辨光电子能谱仪实验,证明了在P31m相的层状Pt Bi2单晶中存在巨大的各向异性的3D Rashba型自旋劈裂;证明了在弱拓扑绝缘体Nb Ge1/3Te2中存在沙漏型费米子;给出了La Sb Te中存在真实的拓扑节线费米子的实验证据。在这些材料中的实验发现,拓展了新型拓扑电子态的研究领域。本文中研究的层状材料具备天然的解理优势,同时存在磁性与拓扑能带之间的相互作用,不仅为研究奇特量子现象提供了新思路,同时也为拓扑电子器件的制备提供了新的研究素材,具有非常重要的科学价值。
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