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中心用户中国科学技术大学曾长淦教授团队在新型拓扑材料外尔半导体研究中取得进展

发布日期:2020-06-03    作者:     来源:     点击:

526日,《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of SciencesPNAS)正式刊发了题为“Magneto-transport signatures of Weyl physics and discrete scale invariance in the elemental semiconductor tellurium”的论文。该成果是国家脉冲强磁场科学中心用户中国科学技术大学曾长淦教授团队在半导体领域取得的最新进展,首次在单元素半导体碲中发现了由外尔费米子主导的手性反常现象以及以磁场对数为周期的量子振荡,成功将外尔物理拓展到半导体体系。中国科学技术大学曾长淦教授、王征飞教授和李林特任副研究为论文共同通讯作者,中心杨明老师和博士生柯杰尊参与相关工作。

在新型量子材料中,具有特殊能带结构的拓扑材料也兼具新奇电子输运特性。相关研究不仅可以加深对于拓扑物态的理解,更有望推动新型高性能电子学器件的发展,其中的一个典型代表就是外尔半金属体系。迄今为止,对于外尔费米子以及外尔物理的研究都局限于半金属体系。然而从器件应用角度,半导体相对于半金属有其独特的价值。

碲是一种窄能带半导体,由于空间反演对称性破缺以及相应的强自旋轨道耦合,在价带顶附近存在能带交叉的外尔点。该研究中,曾长淦教授团队利用物理气相沉积法制备出高质量碲单晶,其空穴自掺杂特性使费米能级处于价带顶,进而显著增强了外尔费米子对输运性质的影响,并通过低温输运研究揭示了碲单晶中由于手性反常导致的典型磁输运特征,包括磁场平行于电流方向时的负磁阻效应,以及磁场在样品平面时发生的平面霍尔效应。在此基础上,该研究团队与杨明老师合作,利用脉冲强磁场设施提供的55T磁场,进一步发现了罕见的以磁场对数为周期的磁阻和霍尔电阻量子振荡。这种新型量子振荡是自相似的离散标度不变性的体现,可以归因于碲晶体中精细结构常数(7.5)远大于真空取值(1/137)从而使外尔费米子与异性电荷中心形成共振态形式的准束缚态。

脉冲强磁场下碲单晶中的对数周期振荡

该工作首次实现了将新奇拓扑属性和半导体属性有机结合的“拓扑外尔半导体”,其发现为设计新型拓扑半导体器件提供了新思路。此类外尔半导体还为探索基于半导体的新型外尔物理学和拓扑设备应用提供了平台,并且进一步证实了拓扑材料中离散尺度不变性的普遍性。

该研究中,曾长淦教授团队在强磁场测量方面得到了中心杨明老师的支持,中心提供了55T脉冲强磁场下碲单晶样品的电输运测量服务,对样品的磁电阻和霍尔信号进行了细致的研究,成功观测到高磁场下微弱的振荡信号,为验证振荡的对数周期提供了强有力的证据。

该工作得到了国家自然科学基金、科技部、中科院以及安徽省的资助。


新闻来源:https://www.ustc.edu.cn/2020/0514/c15852a421147/page.htm

论文链接:https://www.pnas.org/content/117/21/11337