我校a8体育聯合研究團隊近期報道了由電荷密度波相變驅動的拓撲外爾半金屬-軸子絕緣體相變的新奇量子現象。該成果於1月4日以“A Charge-Density-Wave Topology Semimetal”為題，在國際頂尖學術期刊Nature Physics上在線發表。
拓撲物理和強關聯物理是凝聚態物理中的兩個相對獨立的前沿領域🕕。拓撲物理主要是通過基於單電子近似的拓撲能帶理論進行表征🫱🏼，其特征是電子-電子之間的相互作用非常弱。而對於電子-電子之間的相互作用非常強的體系🧑🦼，則需要借助強關聯的物理來描述。將拓撲物理和強關聯物理相結合所產生的新物理和新現象則由於相關材料缺乏🫚，進展緩慢。早在2013年就有研究提出在外爾半金屬中🖕🏻，電荷密度波相變可將外爾半金屬轉變為軸子絕緣體，用來研究軸子電動力學的拓撲磁電效應，直到本研究才首次在真實材料(TaSe4)2I中得到實現。在該研究中，研究人員通過第一性原理計算🔥🤏🏻，結合X射線衍射（XRD）和角分辨光電子能譜（ARPES）實驗手段，發現具有手征對稱性的準一維材料(TaSe4)2I（見圖1a）在高溫下是外爾半金屬，而在低溫下發生電荷密度波相變🎬，手性相反的外爾點之間的費米面嵌套（nesting）使外爾點打開能隙👩，從而使其轉變為軸子絕緣體。
研究人員首先通過第一性原理計算發現(TaSe4)2I在高溫下是具有24對外爾點的外爾半金屬。由於其晶體結構具有手征性的特點🔨，不同手性的外爾點可以出現在不同的能量上🦵🏼，因此費米能級以下可以實現非零的凈手性電荷，從而成為研究量子圓偏光電流效應（quantized circular photogalvanic effect）的材料。該材料中費米能級以下的凈手性電荷為16，是目前費米能級以下凈手性電荷最大的材料🙉。在低溫下（小於248K）🏄♀️，XRD實驗中可以看到電荷密度波波矢所導致的布拉格衍射峰以及附近的衛星衍射峰（見圖1e-f）🧑🏿🦳。通過理論計算電子磁化率發現🫅，這些衛星衍射峰的位置與手性相反的外爾點之間的費米面嵌套波矢一致（見圖1c-d）🚴♀️，因此可以使外爾點打開能隙，從而將其轉變為軸子絕緣體，這一結論通過ARPES實驗得到了驗證（見圖1g-h）。該結論已經被德國德累斯頓馬普固體物理化學研究所的研究人員通過測量電流與電場和磁場之間夾角的關系進一步證明，從而驗證了該材料中軸子電動力學的拓撲磁電效應的存在。
a8体育助理研究員史武軍為第一作者🐑，普林斯頓大學Benjamin J. Wieder博士和德國哈勒馬普微結構物理所Holger L. Meyerheim博士為共同第一作者。(TaSe4)2I單晶由物質學院齊彥鵬助理教授生長，ARPES實驗由物質學院陳宇林特聘教授完成👩🏫。a8体育官网是共同完成單位👩🦳。該研究得到了硬線項目和上科大超算a8的支持。
圖1. a. (TaSe4)2I的結構的俯視圖，由TaSe4組成一維鏈，鏈間填充了I原子。b. 計算的(100) 面上的費米弧🛸。c. 手性電荷相反的費米面嵌套波矢🗡。d.計算的電子磁化率強度分布✍🏽🎆。e-f. 在低溫CDW相變後，新出現的XRD衍射衛星峰。g-h. 低溫和高溫下的ARPES能譜。
https://doi.org/10.1038/s41567-020-01104-z
