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拓扑半金属W2As3的Lifshitz相变研究进展

发布日期:2019-12-02    作者:     来源:     点击:

Lifshitz相变代表一种奇特的相变,在相变前后体系的费米面结构发生突变,从而材料的电子态性质表现出各种奇异的行为。与常规的相变不同,Lifshitz相变并不依赖于对称性破缺,因此这类相变有时候又被称作是拓扑相变。Lifshitz相变通常发生在绝对零温,由一个非温度的调控因子,比如压力、应变、掺杂等,实现费米面结构的突变。但事实上,温度也可以是驱动Lifshitz相变的因素,这是因为体系的化学势本身也是个温度依赖的量,即当温度改变时,化学势会有所移动(上移或下移),如果在这个移动的过程中刚好能导致费米面的结构发生突变,将导致Lifshitz相变。这种情况可以被称为是温度导致的Lifshitz相变。然而在实际材料中,温度导致的Lifshitz相变十分罕见,需要满足以下苛刻条件:第一,材料具备比较小的费米能(εF100 meV的量级以内),保证温度的改变所导致的化学势(μF)移动相对εF是不可忽略的;第二,能带结构在费米能附近具有比较复杂的色散关系,使得化学势的微小移动而对应的费米面形状能发生巨大的变化。而这两个条件在一些拓扑半金属中有可能得到满足。

拓扑半金属通常有一个共同的特点,即具有很大的磁阻,其电阻率在磁场下发生巨大的改变,远超过以往发现的巨磁阻材料和庞磁阻材料。目前,关于它们巨大磁阻的起源还存有争议,分为两种观点:一种认为半金属中电子和空穴存在补偿效应,在载流子迁移率比较高的情况下,这种多带的补偿效应就会导致巨大磁阻;另一种则认为受到拓扑保护效应,载流子反向散射被抑制,而在磁场下这种拓扑保护效应被削弱,载流子的散射率增强,导致了巨大磁阻。实验上如何判断这两种机制是一个难点。一个最直接的设想就是,能否证明在拓扑半金属中,当电子-空穴的补偿效应消失时,材料的巨大磁阻也同时消失。

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1 W2As3角向依赖的磁阻变化

最近,强磁场中心朱增伟教授、罗永康教授与杭州师范大学李玉科教授、曹超教授、戴建辉教授,以及中科院合肥强磁场实验室的田明亮教授等人合作,研究了拓扑半金属W2As3的磁阻性质。通过研究样品在磁场中转角的磁阻变化,发现在40K以上,其形貌是一个横向的哑铃形,而在30K以下则是一个纵向的莲花形,如图1所示。角向磁阻的这种变化表明材料的费米面结构可能在40-30K的温区内发生了巨大的改变,这一假想也通过热电势和能斯特效应的测量得到进一步证实。

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图2 (a、b)脉冲强磁场下W2As3的量子振荡及朗道能级图,(c)W2As3的能带结构示意图。

该研究团队利用中心脉冲强磁场实验条件,通过测量W2As353T强磁场下的量子振荡,描绘其对应的朗道能级图,发现其中存在拓扑非平庸的能带。在这些实验结果的基础上,他们对其电子结构作出合理猜测,如图2所示。该体系同时具有一个拓扑非平庸的电子带和拓扑平庸的空穴带;随着温度增加,化学势上移。当温度增加到Tm~30-40K以上时,化学势移出了空穴带,导致Lifshitz相变、角向磁阻轮廓的变化。值得注意的是,其拓扑保护机制在40K以上仍然存在,但材料基本上不再显示巨大磁阻。该实验表明在这个材料中电子-空穴补偿效应对巨大磁阻起了重要作用。

该研究成果以“Angle-dependent magnetoresistance and its implications for Lifshitz transition in W2As3”为题发表在npj Quantum Materials 4, 58 (2019)。杭州师范大学研究生王嘉璐为论文的第一作者,朱增伟教授和中心研究生丁林超完成脉冲场下的测量。罗永康教授与杭州师范大学李玉科教授、戴建辉教授为论文的共同通讯作者。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41535-019-0197-5