我国学者在狄拉克半金属量子输运方面取得系列重要研究进展

　　近日，北京大学物理学院“纳米结构与低维物理”研究团队的俞大鹏院士、廖志敏副教授及其合作者在低维狄拉克半金属材料的量子输运方面取得了系列研究进展。该成果以“Giant negative magnetoresistance induced by the chiral anomaly in individual Cd₃As₂ nanowires”（Cd₃As₂纳米线中手性反常导致的巨负磁电阻）和“Aharonov–Bohm oscillations in Dirac semimetal Cd₃As₂ nanowires”（狄拉克半金属Cd₃As₂纳米线中的Aharonov–Bohm振荡）为标题分别发表在Nature Communications 6, 10137 (2015)和Nature Communications 7, 10769 (2016)上。研究工作得到了国家自然科学基金（11274014, 11234001）项目的大力支持。论文链接： http://www.nature.com/ncomms/2015/151217/ncomms10137/full/ncomms10137.html　http://www.nature.com/ncomms/2016/160223/ncomms10769/full/ncomms10769.html

　　近年来，物理学家发现了一类非常奇特的拓扑材料（如Cd₃As₂、Na₃Bi等），它们的电子能带结构在动量空间的三维方向都具有线性的色散关系，因此被称为三维狄拉克半金属或 “三维石墨烯”材料，引起了国际研究的极大兴趣，在拓扑量子计算等方面具有重要的潜在应用。理论研究预测，狄拉克半金属在时间反演对称性破缺的情况下会表现出外尔半金属性质，尤其是外尔费米子的手性反常效应会导致负磁电阻现象的出现。因此，在低温和强磁场条件下研究电导对磁场调制的响应对于寻找的“手性反常”等拓扑量子效应至关重要。然而，由于缺陷掺杂等导致体材料Cd₃As₂狄拉克半金属中的背景载流子浓度极高，难以发现期待的手性反常效应。

　　俞大鹏等研究人员通过化学气相沉积法成功合成了高质量狄拉克半金属Cd₃As₂单晶纳米线/纳米片结构。由于其载流子浓度比块体材料低两个数量级以上，导致费米能级非常靠近狄拉克点。他们在该样品中首次发现了负磁电阻效应，给出了外尔费米子手性反常效应的实验依据；利用纳米结构的尺寸效应，通过施加不同的门电压来调控载流子浓度以及费米能级的位置，实现了对外尔费米子量子输运的有效调制。

　　理论研究还表明，狄拉克半金属另外一个非常重要的特点是存在受拓扑保护的表面态。因为狄拉克半金属体态本身就是迁移率极高的狄拉克费米子系统，极高的体电导淹没了表面态通道的信号，导致通过量子输运研究拓扑表面态极具挑战性。该研究团队在Cd₃As₂纳米线中第一次观察到磁通周期为h/e的电导振荡，即Aharonov-Bohm（A-B）效应。在较低磁场下，A-B振荡的电导峰值出现在整数倍h/e处；在高磁场下，电导振荡峰值出现在半整数h/e处，出现了相位为π的转变，揭示了狄拉克点在磁场作用下会劈裂成为两个外尔点。通过门电压调制，他们还研究了A-B振荡相位的变化规律，A-B震荡对纳米线的直径、磁场夹角和门电压的依赖关系。上述研究结果对于揭示狄拉克半金属材料的表面态和手性反常等拓扑量子性质具有重要的意义。

　　图1：三维狄拉克半金属Cd3As2在1.5K到300K的磁阻。从低温到室温均能观察到负磁阻（Nature Communications 6, 10137，2015）。

　　图2，左：Cd3As2纳米线器件示意图；中：在B//E情况下，由外尔费米子手性反常效应引起的负磁电阻效应；右：起源于拓扑表面态的A-B震荡（Nature Communications 7, 10769，2016）。