近日，中國人民大學(xué)物理系夏天龍教授、盧仲毅教授、劉凱副教授和清華大學(xué)物理系周樹云教授合作，證實(shí)了BaGa2中準(zhǔn)二維狄拉克費(fèi)米子的存在，并在層間輸運(yùn)上觀測(cè)到處于量子極限下零級(jí)朗道能級(jí)上的準(zhǔn)二維狄拉克費(fèi)米子隧穿引起的負(fù)磁阻效應(yīng)。該研究成果以“Interlayer Quantum Transport in Dirac Semimetal BaGa2”為題于2020年5月12日在線發(fā)表于《Nature Communications》。
理想的二維狄拉克/外爾半金屬，由于其狄拉克/外爾能帶不存在kz方向的色散，因此在層間輸運(yùn)中不提供層間電導(dǎo)。對(duì)于一個(gè)處于量子極限下的二維狄拉克/外爾半金屬體系，如果在c方向外加磁場(chǎng)，其零級(jí)朗道能級(jí)上的簡(jiǎn)并度會(huì)隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)而急劇增加。此時(shí)處于零級(jí)朗道能級(jí)上的狄拉克/外爾費(fèi)米子就會(huì)通過隧穿的形式直接參與到層間輸運(yùn)中引起額外的隧穿電導(dǎo)，隧穿電導(dǎo)隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增大，導(dǎo)致層間負(fù)磁阻效應(yīng)。BaGa2的晶體結(jié)構(gòu)由蜂窩狀的Ga層和Ba層組成。其準(zhǔn)二維的狄拉克錐由Ga的pz軌道貢獻(xiàn)，狄拉克點(diǎn)正好落在費(fèi)米能級(jí)上。角度依賴的dHvA量子振蕩實(shí)驗(yàn)，第一性原理計(jì)算和ARPES實(shí)驗(yàn)結(jié)果聯(lián)合表明：BaGa2在第一布里淵區(qū)的K點(diǎn)存在準(zhǔn)二維的狄拉克錐，且狄拉克點(diǎn)剛好位于費(fèi)米能級(jí)上；外加磁場(chǎng)和電場(chǎng)都沿c軸方向時(shí)，層間電阻隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)而減弱，表現(xiàn)出負(fù)磁阻行為；當(dāng)磁場(chǎng)從平行于c軸轉(zhuǎn)到ab面內(nèi)的過程中，層間電阻逐漸增大并在B//ab時(shí)出現(xiàn)層間電阻峰值。以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明當(dāng)B//c時(shí)，微弱的外磁場(chǎng)即可使得體系達(dá)到量子極限，處于量子極限下的準(zhǔn)二維狄拉克費(fèi)米子則通過隧穿的形式直接參與層間輸運(yùn)；而在B//ab時(shí)，準(zhǔn)二維狄拉克能帶的量子化被抑制，層間隧穿電導(dǎo)消失。本工作首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了BaGa2中存在準(zhǔn)二維的狄拉克費(fèi)米子，并觀測(cè)到了處于量子極限下零朗道能級(jí)上的狄拉克費(fèi)米子隧穿導(dǎo)致的層間負(fù)磁阻。
夏天龍教授課題組生長(zhǎng)了高質(zhì)量的BaGa2單晶樣品，開展了細(xì)致的dHvA振蕩研究以及轉(zhuǎn)角層間電阻測(cè)試分析，盧仲毅教授、劉凱副教授課題組為該工作提供了詳細(xì)的第一性原理計(jì)算，周樹云教授課題組為該工作提供了重要的ARPES實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析。人大物理系博士生徐升，郭鵬杰，王義炎和清華物理系博士生鮑昌華為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和中央高?；A(chǔ)研究基金的支持。
論文信息：
S. Xu+, C. Bao+, P.-J. Guo+, Y.-Y. Wang+, Q.-H. Yu, L.-L. Sun, Y. Su, K. Liu, Z.-Y. Lu, S. Zhou, and T.-L. Xia*, Nat. Commun. 11, 2370 (2020).
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15854-0
doi:10.1038/s41467-020-15854-0
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