非寻常费米子量子材料的分子束外延生长及原位角分辨光电子能谱与扫描隧道显微技术研究

Following the discovery of Dirac, Majorana, and Weyl fermions, a series of nontrivial fermions with newly predicted topological quantum properties were proposed theoretically. High quality solid materials hosing the nontrivial fermions and their in situ characterizations are critical and highly demanded to further understand the new topological quantum matters and verify the theoretical predictions. In this proposal, we designed a ultra-high-vacuum (UHV) sample transfer system, which integrated the molecular beam epitaxy (MBE), angle-resolved photoemission (ARPES) and scanning tunneling microscopy (STM) instruments, which allows the fabrications of high quality quantum materials and their in situ characterizations. We plan to grow the quantum materials hosing the “three-,six-,and eight-band crossing”new fermions, three component fermions, Houglass fermions or Wallpaper fermions using MBE technique. And the epifilms will be characterized in situ by ARPES and STM for their properties such as surface structures, topological defects, conductive spectroscopies, and topological surface states. Meanwhile, the strained epifilms caused by lattice mismatch provide the opportunities to study the strain induced topological phase transitions. Our research will potentially provide the valuable references for the quantum materials growth and future nontrivial fermions-based topological devices explorations.

继狄拉克、马拉约那、外尔费米子之后，又一系列具有奇异量子现象的非寻常费米子被理论预言。由于缺乏具有非寻常费米子的高质量固体材料，以及原位探测和表征技术的限制，制约了人们去发现这些非寻常的费米子、去证实理论预言。本项目自行设计了真空样品传输系统，将分子束外延生长设备、角分辨光电子能谱仪和扫描隧道显微仪的真空腔体，通过真空传输系统连接在一起，实现高质量材料制备和原位宏观及微观测量；制备具有“三-、六-、八-能带交叉”新费米子、Houglass费米子、Wallpaper费米子等具有非寻常费米子的量子外延薄膜。并结合扫描隧道显微技术与角分辨光电子能谱技术，研究外延膜的表面结构、表面拓扑缺陷、奇异拓扑表面态；探寻其新颖的量子现象、晶格失配作用下量子态变化等；并揭示这些量子材料宏观量子性与微观物理机制间的内在关联。为进一步研究非寻常费米子量子系统和开发基于这些新粒子的新型量子器件奠定基础。

发掘和探索具有非寻常量子现象的拓扑量子材料是目前量子物理研究的前沿与热点方向之一。其奇异量子物性的成功表征不仅使人们能够深入洞察非寻常材料的特性，并且有助于开拓和探索与其相关的新型量子器件。在本项目中，我们以制备具有非寻常费米子特性的新型量子材料为目标，并以超低温、强磁场环境下的物性测量为主要研究手段，力图发现具有非寻常费米子特性的新型拓扑量子材料，并探究其对相关器件的性能影响。. TaIrTe4是目前发现的外尔点数目最少的外尔半金属，我们利用扫描隧道显微技术在其原子尺度的表征中，除了探测到其外尔特性，还发现了超导性，并结合理论计算发现其为强耦合的各项异性S波配对超导体。在对第二类狄拉克半金属NiTe2的研究中，我们结合理论计算探究了应力对其狄拉克点的调控作用，发现张应力会使电子口袋下沉，引起费米能处的峰值向负值移动。并且发现台阶边缘处电子态密度增强，边界态对缺陷还具有鲁棒性。我们还研究了具有 Kagomé 晶格结构的 CsV3Sb5，在其Cs表面发现沿晶格方向调制的新颖电荷密度波以及大约 40 meV 的能隙，并发现其可能具有手性。同时，我们发现了CsV3Sb5的超导性以及1.2meV的超导 V 型能隙, 同时研究了其存在节点的可能。. 此外我们还利用分子束外延技术制备了拓扑横向与纵向异质结VSe2/Bi2Se3, 并结合理论计算研究了此量子体系由于电子强关联引起的平带以及多体共振效应，以及横向异质界面对其共振峰引起的偏移。同时我们还发现了外延石墨烯中缺陷态对石墨烯电子散射的影响以及缺陷对石墨烯磁性的调控。我们还通过对Cr-GaN体系的表征探究了STM针尖的功能化。同时，为了将量子材料更好的应用到器件中，已经开始逐步探究拓扑材料对摩擦纳米发电性能的影响。