【研究成果】半金屬Nb3SiTe6材料中的沙漏費米子與狄拉克節點線

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  陳宣豪 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 研究團隊解析出半金屬材料中的沙漏費米子特徵,成果榮登《奈米通訊》(Nano Letters)國際期刊封面之示意圖。

2016年普林斯頓大學的王志俊博士及夥伴基於理論,曾提出一類新的拓撲絕緣體,可能出現於兩類材料中,具非對稱晶體(nonsymmorphic)空間:滑移軸、滑移面,以及特別的沙漏狀能帶結構和特殊的三維推廣之量子霍爾自旋效應,而在其表面,部分拓撲表面態電子結構具有類似沙漏形式的能帶色散,表面態低能激發的準粒子被稱為「沙漏費米子」(hourglass fermion),與其它拓撲絕緣體中的狄拉克費米子進行區別。

近期,國家同步輻射研究中心劉若亞助研究員及中央研究院江台章院士所組成的跨國合作團隊,發現非對稱晶體層狀鈮矽碲半金屬材料(Nb3SiTe6)(圖2(a)中的滑移鏡對稱性(Glide-mirror symmetry)會促進新型沙漏狀能帶結構的出現,並藉國家同步輻射研究中心的台灣光源TLS 21B1高解析光電子能譜實驗站及相關實驗設施,運用VUV光角解析光電子能譜、穿隧式電子顯微鏡(圖2(b))、X光繞射等技術,分析Nb3SiTe6中的沙漏費米子電子態,來進行凝態物理學中有關沙漏費米子的研究。

圖2. Nb3SiTe6的材料結構與電子能帶結構: (a) Nb3SiTe6的原子結構(b) Nb3SiTe6的穿隧式掃描電子顯微鏡影像 (c) Nb3SiTe6的布里淵區 (d) 以角解析光電子能譜量測出來的電子費米面(E=0 V)與不同等能量切面(E=-0.1 & -0.4 eV)。圖中的狄拉克節點線(Dirac nodal line)以藍色箭頭標示。(e) XSX方向的能帶結構,黑色箭頭顯示理論和實驗相符的一條能帶,為沙漏費米子能帶結構的一部分。

研究團隊在Nb3SiTe6的布里淵區邊界(Brillouin Zone Boundary) (圖2(c)灰色區塊),觀察過去常被忽略的費米能級附近的交叉能帶(Linear band crossings)(圖2(d)藍色箭頭處),能連接形成節點線(Dirac nodal line),此節點線為沙漏費米子的一部分。在Nb3SiTe6原位鹼金屬摻雜(In situ alkali-metal doping)的實驗中,也觀察到靠近布里淵區中心的另一個交叉能帶、拋物線能帶等,為理論預測的節點環的一部分。事實上,在某些對稱性晶體的情況,狄拉克費米子可能交叉成狄拉克點(Dirac point)、狄拉克節點曲線(Dirac nodal curve) (圖2(e))或狄拉克節點環(Dirac nodal loop)等,在流形附近的電子已被分類為魏爾費米子(Weyl fermion)、沙漏費米子(Hourglass fermion)和壁紙費米子(Wallpaper fermion)等。

不過即便許多化合物已被推論出拓撲節點線或節點環,但這些拓撲準粒子的角分辨光電子能譜學(ARPES)實驗,仍集中於特定結構家族,如過渡金屬二硫族化物(Ransition metal monopnictides)、ZrSiS、PbFCl型其他元素、PbTaSe2等,讓多數拓撲節線的半金屬物理特性仍有很大程度的不完整,尤其沙漏費米子又是在具有滑移鏡對稱之晶體中的最新類型節點費米子。所以研究團隊系統化量測其能帶結構,有助解釋特殊的三維推廣之量子霍爾自旋效應,並證明Nb3SiTe6中心存在節點環,且表明其沙漏費米子的能帶結構接近費米能級,對於未來研究Nb3SiTe6的電子特性將有所幫助,有助於進一步了解沙漏費米子的物理特性。

本次研究結果除了辨識出不尋常的拓撲材料可作為該領域研究的驅動力之外,也確定Nb3SiTe6可應用於自旋電子應用中非常規自旋,且解析出原預測的拓撲沙漏半金屬相的角解析光電子能譜特徵。

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