Weyl半金属TaAs/NbAs在极端条件下的输运性质研究

The recent developments in topological insulators have highlighted the important role of topology in defining phases of matter. Topological semimetals represent a new quantum state of matter which are essentially free fermion phases where band topology can be defined even though the energy gap closes at certain points in the Brillouin zone. This makes it a 3D electronic analogue of graphene, and will show exotic topological phenomena. In this project, I will focus mainly on the proposed three dimensional Weyl semimetals TaAs/NbAs and its unusual surface states that take the form of Fermi arcs. In Weyl semimetals, the low energy excitations of this topological state are modeled by the Weyl equation of particle physics. Under extreme conditions, various experimental techniques will be used to detect its topological response, including the quantum oscillations, the Adler-Bell-Jackiw (ABJ) anomaly and anomalous Hall effect.

以拓扑绝缘体为代表的凝聚态物理系统中的不寻常拓扑现象受到了科学界空前的关注。拓扑半金属也是一类全新的拓扑电子态,它的费米能级正好位于两支能带的交叉点上。它类似于三维的石墨烯，会呈展出很多新奇的量子现象。本课题计划研究最近理论预言的一类Weyl半金属TaAs/NbAs的电、热输运性质。Weyl半金属中的准粒子用具有手性的相对论Weyl方程描写。申请人计划通过极端条件（极低温、强磁场、高压）下的多种测量手段探测这类材料中可能存在的新奇量子物态，比如量子振荡、Adler-Bell-Jackiw(ABJ)异常和反常霍尔效应等。

【项目背景】 近年来，拓扑材料已发展成为包含拓扑绝缘体、拓扑近藤绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属、拓扑节线半金属、拓扑超导体等在内的国际瞩目的重要研究领域。在拓扑材料中，一些电子具有类似光子的线性能量–动量关系（色散关系），在动量空间中，其能带呈狄拉克锥结构，被称为无质量狄拉克费米子，这种准相对论粒子在拓扑材料中引起许多新奇的物理效应。.【主要研究内容】1) SmB6在低温其电阻呈现金属性，具有受拓扑保护的表面金属态。为了细致研究其能隙的形成和能隙中可能存在的低能激发，对高质量的拓扑近藤绝缘体SmB6单晶进行了极低温（0.1 K）和强磁场（至14.5 T）下的热导率实验研究。2) 合成不同掺杂浓度的Ce1−xYbxCoIn5系列超导体，研究了单晶Ce1−xYbxCoIn5剩余电阻率随掺杂浓度的关系。利用极低温热导率实验手段，研究了Ce1−xYbxCoIn5的超导能隙结构及其随掺杂的变化情况。3）采用助熔剂方法生长了可用于DAC高压实验用高质量的NbAs单晶样品。对NbAs单晶进行了单晶X射线衍射（XRD）物相表征、扫描电子显微镜(SEM)形貌表征等。随后开展了金刚石压砧（DAC）高压实验。.【重要结果】 1) 对拓扑近藤绝缘体SmB6研究结果排除了SmB6的体中存在无能隙的电中性费米激发(如标量马约拉纳费米子或自旋子)的可能性，也排除了体费米面的存在。2)对重费米子超导体Ce1−xYbxCoIn5的极低温热导率实验发现，热导率的剩余线性项满足universal law，Yb的掺杂并没有改变超导能隙为线节点的结构。3）金刚石压砧（DAC）高压XRD实验,表明NbAs的晶格结构对压力不敏感，没有发生压力下的结构相变。4）DAC高压电阻率实验,高压直到20GPa，NbAs没有表现出超导迹象，表明Weyl半金属态比较稳定，对压力不敏感。.【科学意义】拓扑量子态是如今凝聚态物理中的前沿课题，其在极端条件下的物性研究，对探索拓扑材料在新一代电子器件、量子计算和信息科学领域的应用可以提供很多有价值的线索。