2019年01月09日出版  总第 1276 

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】  第
1275 期 2019-12-30
李绍春课题组利用扫 隧道显微学技术证实 CoSi 表面的手性费米弧表面态
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本报讯 近日,南京大学物理学院李绍春教授课题组在拓扑半金属材料研究中取得了重要进展。该团队利用 扫 隧道显微技术验证了 CoSi 中手性费米准粒子及其对应的费米弧表面态的存在,并首次观测到表面态的自 旋轨道耦合劈裂。相关研究成果以“Quasiparticle Interference Evidence of the Topological Fermi Arc States in Chiral Fermionic Semimetal CoSi”为题于 2019 12 20 日发表在 Science Advances {Sci. Adv. 5 (12),eaaw9485(2019)}

最近,理论上预言了 CoSi 体系中存在陈数大于 1 的非常规手性费米准粒子。由于受到非简单空间群 (nonsymmorphic space group)的对称性保护,CoSi 中的手性费米子总是起始于布里渊区中的高对 称点处,从而导致费米弧表面态跨越了整个布里渊区。另外,连接费米弧的两个手性费米子也可以具有不同的 能量,导致了费米弧表面在相对比较大的能量窗口内都具有可观测性。由于这些优于常规外尔费米子的性质, CoSi 系列材料吸引了国际上的广泛关注。最近已有角分辨光电子能谱的相关研究报道,然而费米面以上的费 米弧信息依然缺失。自旋轨道耦合导致的费米弧劈裂也至今没有被实验证实。

理论计算表明,在考虑自旋轨道耦合的情况下,布里渊区中的高对称点 Γ R 存在多重简并点,即四重简并 的 spin-3/2 RSW 点和六重简并 double spin-1 Weyl 点。在 CoSi 单晶的(001)和(011)表面上, 由于 Γ R 投影到不同的位置,导致费米弧表面态的存在;而在(111)表面上,由于 Γ R 投影到相同的 位置,导致无费米弧表面态的存在。 在该工作中,作者首先在超高真空中通过氩离子刻蚀和高温退火的方法,获得了原子级平整的单晶表面;然后 利用扫 隧道显微镜/扫 隧道显微谱(STM/STS)技术对 CoSi 单晶的多个表面进行了表面准粒子干涉的测 量。研究中发现,CoSi 的表面态仅存在于(001)和(011)的表面,而在(111)表面上并不存在表面 态,完全符合理论预言的手性费米子的投影原则。在从-200 mV +400 mV 的大范围能量区间,均可以观测 到表面态的信息。除此之外,CoSi 的表面态还满足 p 相位的旋转对称性。随着能量的改变,表面态在动量空 间中呈现独特的定向转动特征。这些都是手性费米子对应的费米弧表面态的典型特征。更重要的是,通过高能 量分辨和高空间分辨的 STM 测量,作者首次观测到了费米弧表面态的自旋轨道耦合劈裂,最大处为 80 mV 左 右,位于费米能级以上。这些实验结果和理论的 DFT 计算非常吻合,有力地证明了 CoSi 中非常规手性费米 准粒子及对应的费米弧表面态的存在。该工作首次利用扫 隧道显微镜的准粒子干涉技术系统地表征了 CoSi 费米弧表面态,不仅证实了体系的非常规手性拓扑性质,而且也为后续探索手性费米子相关的新奇物理及应用  供了一个新的平台。 该工作是由南京大学李绍春课题组和多个研究团队合作完成的。中国人民大学的雷和畅课题组生长了 CoSi 单 晶样品,中科院物理所的孙煜杰和丁洪课题组通过超高真空表面处理技术获得了原子级平整的单晶表面,中科 院物理所的翁红明课题组完成了第一性原理计算部分。南京大学物理学院博士生袁茜茜为论文的第一作者,中 国科学院物理所博士生周丽琴为共同第一作者。南京大学物理学院李绍春教授和中国科学院物理所翁红明研究 员、孙煜杰副研究员为共同通讯作者。南京大学为论文的第一单位。 该工作得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的支持,南京大学双一流 建设、国家自然科学基金委和科技部量子调控项目等项目的资助。 


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