狄拉克半金屬Cd3As2納米線中的Aharonov-Bohm效應

近些年來，在拓撲電子材料研究的前沿領域先後湧現出了包括拓撲絕緣體、狄拉克半金屬、外爾半金屬等多種拓撲非平庸材料，由于其特殊的拓撲電子特性和潛在的應用價值，已成為當今凝聚态物理領域的一個重要研究方向。其中，狄拉克半金屬作為一種新穎的量子态，因其體态線性的能帶色散關系，而常被比拟為“三維的石墨烯”。同時，理論研究和ARPES實驗均表明狄拉克半金屬的表面态是由兩個手性相反的費米弧組成。因此，狄拉克半金屬的表面态既區别于拓撲絕緣體表面的二維狄拉克錐，也區别于外爾半金屬表面的開放費米弧，是一種新奇的拓撲表面态。拓撲表面态的研究對于拓撲材料非常重要，并且拓撲電子材料—超導體耦合體系與拓撲量子計算密切相關。然而，通過輸運測量研究狄拉克半金屬的表面态極具挑戰性，這是因為狄拉克半金屬體态本身就是具有高遷移率的狄拉克費米子系統，體電導很大，會掩蓋來自表面态通道的信号。

最近，由beat365俞大鵬院士領導的 “納米結構與低維物理”研究團隊在該領域取得新的重要進展。該團隊的廖志敏副教授等利用合成的狄拉克半金屬Cd3As2納米線具有單晶性好、載流子濃度低、比表面積大等優點，在低溫輸運測量中沿Cd3As2納米線方向施加連續變化的平行磁場，觀察到磁通周期為h/e的電導振蕩，即Aharonov-Bohm（A-B）效應。一般認為，當納米線表面電子的平均自由程大于納米線截面周長時，一維受限體系在有限邊界條件的情況下會出現表面子能帶的劈裂，随着磁通的變化，穿過費米能級的表面子能帶數發生變化，從而導緻電導的振蕩。在Cd3As2納米線中，在較低磁場下A-B振蕩的電導峰值出現在整數倍h/e處，而在高磁場下，電導振蕩峰值出現在半整數h/e處，出現了相位π的轉變，暗示了狄拉克點在磁場下劈裂成兩個外爾點的物理過程。實驗上通過門電壓調制，觀察到了由于費米能級的移動而導緻的A-B振蕩相位的變化，進一步表明觀察到的A-B振蕩來自于一維受限系統的拓撲表面态。當增加納米線的直徑，使得納米線截面周長大于電子的平均自由程，A-B效應消失，實驗上觀測到周期為h/2e的AAS效應。該研究結果對于揭示狄拉克半金屬表面态的輸運特性具有重要意義。

該研究成果近期發表于Nature Communications 7, 10769 (2016). 論文鍊接：http://www.nature.com/ncomms/2016/160223/ncomms10769/full/ncomms10769.html

博士研究生生王禮先和李彩珍為并列第一作者，廖志敏副教授為通訊作者。該研究成果得到了量子物質科學2011協同創新中心、介觀物理國家重點實驗室、beat365電子顯微鏡實驗室等的大力支持。