外尔半金属的拓扑表面电子态研究

Weyl Fermions is a new global research focus after graphene and topological insulator. Its bulk electronic band can be described by Weyl equations, and carries non-trivial Berry phase, therefore it is a new type of topological matter. The first group of Weyl semimetals was experimental discovered in TaAs class of material (TaAs, NbAs, TaP, and NbP) only in recent 2015. Since it is a brand new area, there are lots of research opportunities remaining. The topology in Weyl semimetal manifests itself as the existence of Fermi arc state on its surface, so the surface sensitive measurement is required. We plan to apply low-temperature scanning tunneling microscopy/spectroscopy to investigate the electronic properties of Weyl semimetal both in real space and momentum space. Furthermore, we hope to experimentally verify the predicted Dirac fermions on NbP surface, observe the quantum interference from the topological Fermi arc surface states on MoTe2, and experimentally prove the predicted new generation of time reversal symmetry broken Weyl semimetal within a magnetic field. We also plan to control the topological property of Weyl semimetals by confine it to low-dimensional structure like quantum well by molecular beam epitaxy growth.

外尔半金属是继石墨烯和拓扑绝缘体之后又一个全球性研究热点，其体内能带的低能准粒子激发用外尔方程描述，携带非零的贝利相位，是一类全新的拓扑物质。直到2015年，第一组外尔半金属材料(TaAs, NbAs, TaP, NbP)才在实验上被发现。这个崭新的领域中，许多重要的科学问题有待研究。外尔半金属的拓扑属性直接表现为费米弧形拓扑表面态的存在，因此表面敏感的实验手段大有用武之地。本项目将使用低温扫描隧道显微镜/隧道谱技术同时在实空间和倒空间研究外尔半金属的物理性质。我们期望能够在NbP样品中证实理论预言的新奇表面狄拉克粒子；计划研究二碲化钼表面，直接观察到拓扑费米弧表面电子态的量子干涉现象，并进一步对确定该材料电子在动量空间的散射通道。结合外磁场调制的方法，寻找时间反演对称破缺的新型外尔半金属材料。使用分子束外延技术，通过生长量子阱等低维结构，实现对外尔半金属的拓扑性质的调控。

外尔半金属是2015年才在实验上发现的一类全新的拓扑材料。理论预言了多项外尔半金属的重要性质，多数尚未得到实验验证。我们项目使用扫描隧道显微镜/隧道谱技术研究了数个外尔半金属代表性材料，取得了多项创新性成果。包括：在NbP中清晰的观察到在表面第一布里源区边界存在成对出现的两维狄拉克型电子态，解释了NbP家族外尔半金属的奇特的表面电子特性，使得同时研究费米弧表面态和两维狄拉克电子态共存成为可能；在第二类外尔半金属MoWTe2表面进行准粒子干涉实验测量，在国际上首次之间观察到拓扑费米弧型表面的干涉条纹。并且发现了投影体态不参与到准粒子干涉中，从而确定性发现了拓扑渗漏效应；在具有时间反演对称性破却的外尔半金属材料YbMnBi2中，首次观察到原子级分辨得扫描隧道显微镜形貌；在拓扑半金属ZrSiSe中首次发现半缺失型倒逆散射；发现组分和物理性质可调节得拓扑半金属系列材料Nb2n+1SinTe4n+2，并首次在凝聚态体系中发现一维狄拉克费米子。这一系列重要进展，推动了对外尔半金属的独特物理的深入理解，并为基于拓扑半金属的应用研究打下了坚实的基础。