第二类狄拉克半金属中各向异性负磁阻效应及其电场调控

Type-II Dirac fermion, as a new emergent quasiparticle, was experimentally observed in PtTe2 and PdTe2 semimetals in 2017. In contrast to the well-known type-I Dirac semimetal, this new material exhibits a titled dispersion relationship, which breaks the honored Lorentz invariance. Consequently, a remarkable anisotropic chiral anomaly induced negative magnetoresistance is expected as the Fermi energy is closed to the Dirac point. However, in reality, all of the reported Type-II Dirac semimetals have far away from Dirac point. The coexistence of the huge positive in the bulk material, making it extremely hard to be observed. This proposed research is dedicated to fabricating thin flake based devices using the cutting edge nanofabrication techniques, in which the background positive magnetoresistance should be reduced and electrical tuning of Fermi energy by applying a local gate voltage is possible. As a result, we expect to observe the negative magnetoresistance and its anisotropy in the low-temperature transport measurements to offer direct evidence of type-II Dirac fermion.

第二类狄拉克费米子作为凝聚态中存在一种新型费米子，在2017年首次通过角分辨光电子能谱在PtTe2与PdTe2半金属中被实验证实。虽然其具有和第一类狄拉克半金属相似的拓扑保护的不闭合表面态，但由于能带发生了明显倾斜，而打破了洛伦兹对称性。理论预测其在狄拉克点附近会产生各向异性的手性异常负磁阻效应等新奇量子现象。但是目前实验验证的第二类半金属材料中费米能级都远离狄拉克点，加之块材材料中存在很强的正磁阻效应，致使这种各向异性的负磁阻效应尚未被实验观测到。本项目旨在通过前沿的二维材料纳米器件加工工艺，制备基于第二类狄拉克半金属的薄膜电子器件；实现减小块材中强的正磁阻效应及解决费米能级通过外加电场原位调控的技术瓶颈。并在此基础上，通过低温输运测量，观测第二类狄拉克半金属中由打破洛伦兹不变性而存在的各向异性负磁阻效应，对第二类狄拉克费米子存在的提出直接而全面的实验证据，具有重要的科学意义。

狄拉克半金属具有拓扑的能带结构，这类材料表面具有独特的由手性异常负磁阻效应。某些实验工作观测材料中沿不同晶轴各异的磁阻效应，但对其背后的物理机理一直没有定论。我们以层状狄拉克半金属PtSe2为研究目标，利用厚度工程技术采用了机械剥离方法大幅减薄了样品至纳米厚度，有效地抑制了块体的正磁阻信号，大幅提升了表面输运的信噪比，成功观测到了显著的手性异常负磁阻效应。基于纳米薄层材料，制备了具有局域栅极的微纳电子器件，可以通过栅极电场实现对半金属费米面的调控，从而实现对于其手性异常因子的调控。此外由于PtSe2具有非对称的晶体结构，其面内狄拉克锥呈现轻微的不对称，造成1.5倍的费米速度各向异性分布。我们在PtSe2样品中观测到了明显的各向异性特征，在具有最大费米速度的晶轴方向观测到了由于手性异常产生的负磁阻效应。而沿最小费米速度的方向，负磁阻信号过于微弱，湮灭在了平庸的正磁阻背景。揭示了各向异性的物理机理是来自面内非对称分布的费米速度。这项工作颠覆了之前对于手性异常负磁阻效应的各向异性主要来源于器件几何结构的认识，大幅推进了对手性异常输运机理的理解。