拓扑物态电子结构

Topological states are a kind of exotic quantum states of matter, which have become an important research direction in condensed matter physics in recent years. Topological states have unique electronic structures. Angle-resolved photoemission spectroscopy is the most direct experimental technique to measure the electronic structures of materials, and thus is an important experimental tool to study topological states. Since the construction of the beamline BL09U at the Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) was completed in 2015, the applicant has systematically investigated the electronic structures of topological materials at this beamline. The most two prominent results are the experimental discovery of Weyl fermions and three-component fermions in condensed-matter systems. In this application, we aim at the key-supporting project "1.4 structure, function and property of complex materials" and propose to continue the research on the electronic structures of topology materials at the beamline BL09U at the SSRF. We will develop and combine with new experimental techniques. From the two aspects of "new" and "good", we will experimentally discover more types of topological states of matter and more ideal topological materials. These results will provide direct experimental support for theoretical studies, and provide important experimental basis for subsequent basic and applied research.

拓扑物态是一类新的量子物态，近年来已经成为凝聚态物理领域的一个重要研究方向。拓扑物态具有独特的电子结构，角分辨光电子能谱是测量材料电子结构最直接的实验手段，是研究拓扑物态的重要实验工具。自2015年上海光源BL09U线站建成以来，申请人在该线站上利用角分辨光电子能谱系统开展了拓扑材料电子结构的研究，其中最突出的两项成果为在固体材料中首次实验证实外尔费米子和三重简并费米子。本申请针对重点支持项目“1.4复杂材料的结构、功能与物性”，提出继续在该线站开展拓扑材料电子结构的研究，发展结合新的实验技术，从“新”和“好”两个角度出发，实验上发现更多类型的拓扑物态和更加理想的拓扑材料。这些研究成果将为理论研究提供直接的实验支持，并为后续的基础和应用研究提供重要的实验依据。

拓扑量子态从本世纪初开始迅速发展成为凝聚态物理领域的一个重要的研究方向，这在很大程度上归功于理论与实验的紧密结合。理论上的突破不断预言新的拓扑态和代表性的拓扑材料，随后被实验所证实，然后进行物性研究，发现新的拓扑物理现象，继而从理论上给予解释，并探索其实际应用的方向。角分辨光电子能谱（ARPES）是实验验证拓扑量子态及相关材料的重要实验手段，起到了承前启后的作用。.上海光源BL09U线站的一个重要的特点和优势就是从极紫外到软X射线的超宽波段，在ARPES实验中可以对体态和表面态电子结构进行全面的测量。自2014年底该线站建成以来，我们就在该线站上进行了ARPES实验，首次在固体材料发现了外尔费米子和三重简并费米子。.在此基础上，我们在国家自然科学基金委大科学装置联合基金项目的支持下，从“新”和“好”两个角度出发，在该线站上通过ARPES测量对拓扑量子材料电子结构进行了系统的研究，从实验上确认了更多类型的拓扑物态和更加理想的拓扑材料，包括首次实验验证新型外尔费米子【Nature 567, 496-499 (2019)、Nat. Commun. 10, 5505 (2019)】、自旋涨落诱导外尔半金属态【Sci. Adv. 5, eaaw4718 (2019)】、首次在本征磁性拓扑绝缘体中观测到狄拉克表面态【Phys. Rev. X 9, 041039 (2019)】、理想节线半金属 ZrSiS【Sci. Adv. 5, eaau6459 (2019)】、理想磁性拓扑半金属 EuB6【Phys. Rev. X 11, 021016 (2021)】、旋转对称性保护的拓扑晶体绝缘体 SrPb【Nat. Commun. 12, 2052 (2021)】。这些研究成果不仅极大推动了拓扑物态领域基础研究进展，还为后续相关拓扑材料物理性质的研究和调控提供了有效的素材。