新型拓扑量子材料研究中取得重要进展

上海科技大学大科学中心联合研究团队近期报道了由电荷密度波相变驱动的拓扑外尔半金属-轴子绝缘体相变的新奇量子现象。该成果于1月4日以“A Charge-Density-Wave Topology Semimetal”为题，在国际顶尖学术期刊Nature Physics上在线发表。

拓扑物理和强关联物理是凝聚态物理中的两个相对独立的前沿领域。拓扑物理主要是通过基于单电子近似的拓扑能带理论进行表征，其特征是电子-电子之间的相互作用非常弱。而对于电子-电子之间的相互作用非常强的体系，则需要借助强关联的物理来描述。将拓扑物理和强关联物理相结合所产生的新物理和新现象则由于相关材料缺乏，进展缓慢。早在2013年就有研究提出在外尔半金属中，电荷密度波相变可将外尔半金属转变为轴子绝缘体，用来研究轴子电动力学的拓扑磁电效应，直到本研究才首次在真实材料(TaSe4)2I中得到实现。在该研究中，研究人员通过第一性原理计算，结合X射线衍射（XRD）和角分辨光电子能谱（ARPES）实验手段，发现具有手征对称性的准一维材料(TaSe4)2I（见图1a）在高温下是外尔半金属，而在低温下发生电荷密度波相变，手性相反的外尔点之间的费米面嵌套（nesting）使外尔点打开能隙，从而使其转变为轴子绝缘体。

研究人员首先通过第一性原理计算发现(TaSe4)2I在高温下是具有24对外尔点的外尔半金属。由于其晶体结构具有手征性的特点，不同手性的外尔点可以出现在不同的能量上，因此费米能级以下可以实现非零的净手性电荷，从而成为研究量子圆偏光电流效应（quantized circular photogalvanic effect）的材料。该材料中费米能级以下的净手性电荷为16，是目前费米能级以下净手性电荷最大的材料。在低温下（小于248K），XRD实验中可以看到电荷密度波波矢所导致的布拉格衍射峰以及附近的卫星衍射峰（见图1e-f）。通过理论计算电子磁化率发现，这些卫星衍射峰的位置与手性相反的外尔点之间的费米面嵌套波矢一致（见图1c-d），因此可以使外尔点打开能隙，从而将其转变为轴子绝缘体，这一结论通过ARPES实验得到了验证（见图1g-h）。该结论已经被德国德累斯顿马普固体物理化学研究所的研究人员通过测量电流与电场和磁场之间夹角的关系进一步证明，从而验证了该材料中轴子电动力学的拓扑磁电效应的存在。

大科学中心助理研究员史武军为第一作者，普林斯顿大学Benjamin J. Wieder博士和德国哈勒马普微结构物理所Holger L. Meyerheim博士为共同第一作者。(TaSe4)2I单晶由物质学院齐彦鹏助理教授生长，ARPES实验由物质学院陈宇林特聘教授完成。上海科技大学是共同完成单位。该研究得到了硬线项目和上科大超算中心的支持。

图1. a. (TaSe4)2I的结构的俯视图，由TaSe4组成一维链，链间填充了I原子。b. 计算的(100) 面上的费米弧。c. 手性电荷相反的费米面嵌套波矢。d.计算的电子磁化率强度分布。e-f. 在低温CDW相变后，新出现的XRD衍射卫星峰。g-h. 低温和高温下的ARPES能谱。（文/上海科大）