最近量子物質科學協同創新中心、beat365謝心澄教授、孫慶豐教授及陳垂針博士等在拓撲半金屬研究領域取得重要進展，在物理學評論快報上發表了标題為“Disorder and metal-insulator transitions in Weyl semimetals” 的研究論文[Phys. Rev. Lett. 115, 246603 (2015)]。
Weyl半金屬是一種全新的拓撲量子态。 2015年，它在TaAs族材料中被實驗證實，并立刻成為基礎凝聚态物理和材料科學研究的焦點。 與傳統半金屬材料不同，Weyl半金屬體态能譜中存在成對的零能隙Weyl點，并擁有局域在表面的費米弧。獨特的能帶結構引發了Weyl半金屬中無能隙Weyl點對雜質勢散射（無序）穩定性的重要猜測。前人研究表明單個Weyl點非常穩定，即使在強無序極限下也不能發生Anderson局域化。然而，前人理論還發現Weyl點具有類似于動量空間的磁單極性質，這就決定了在實際材料中它們必須成對出現。當一對Weyl點在動量空間中相互靠近或者它們之間引發強的谷間散射的時候，就有可能會被湮滅掉。因此，對成對Weyl點在無序下的局域化性質的研究就顯得至關重要。
最近，陳垂針等人利用精确數值結合理論解析方法系統地研究了無能隙Weyl點和費米弧的對雜質勢散射的穩定性。在此基礎上，獲得了無序引起的Weyl半金屬中新奇量子相變物理圖像。他們意外發現， 考慮Weyl點成對出現這一特性時， Weyl半金屬體系存在異常豐富的相圖 [見圖b]。特别是，該相圖中存在三個難以被傳統理論理解的新奇相變： （1）Weyl半金屬到三維量子反常霍爾絕緣體的相變;（2）Weyl半金屬到三維反常霍爾金屬的相變；（iii）普通絕緣體到Weyl半金屬的相變。他們得到了無序引發這些相變的物理機制并探讨了在光子晶體中觀測到這些相變的可能性。
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幹淨Weyl半金屬哈密頓量H_0關于
t_z/m_0-m_z/m_0 的相圖。 |
無序Weyl半金屬系統關于 W-m_z 的相圖，W表示
無序強度。相圖中實線連接的實心點是通過嚴格數值方
法計算得到的。而藍色虛線是通過解析方法确定的。 |
這項工作與河北師範大學宋俊濤教授, 蘇州大學江華教授以及Boston College 的汪自強教授合作完成。這個工作得到國家重點基礎研究發展規劃和國家自然科學基金和量子物質科學協同創新中心的支持。
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