最近，Weyl半金屬已經(jīng)諸多晶體中被發(fā)現(xiàn)。通過Weyl半金屬表面的光電子能譜觀察到了具有獨(dú)特自旋結(jié)構(gòu)的費(fèi)米弧，并在磁場(chǎng)下產(chǎn)生了新的回旋軌道。Weyl半金屬中的手征反常也現(xiàn)象已被廣泛觀測(cè)到。盡管作為手征異常的一個(gè)重要前提，也是Weyl費(fèi)米子的獨(dú)特標(biāo)志，非常規(guī)的手征朗道能級(jí)還沒有被探測(cè)到。

【成果簡介】

近日，來自復(fù)旦大學(xué)的修發(fā)賢（通訊作者）和晏湖根（共同通訊作者）的團(tuán)隊(duì)在Nat. Commun.發(fā)表了題為Chiral Landau levels in Weyl semimetal NbAs with multiple topological carriers的文章，報(bào)道了Weyl半金屬NbAs中朗道量子的磁光學(xué)研究。高磁場(chǎng)驅(qū)使系統(tǒng)朝向量子極限，觀察到兩個(gè)不等價(jià)的Weyl節(jié)點(diǎn)中的第零手征朗道能級(jí)，與其他朗道能級(jí)相比，第零手征朗道能級(jí)在磁場(chǎng)方向上表現(xiàn)出明顯的線性色散，并允許光學(xué)躍遷不受零動(dòng)量的限制。研究結(jié)果提供了Weyl費(fèi)米子中手性朗道能級(jí)的證據(jù)，并展示了磁光譜是研究復(fù)雜拓?fù)湎到y(tǒng)的有效工具。該課題組袁翔是第一作者，來自于清華的嚴(yán)忠波和復(fù)旦的宋超宇是該文章的共同一作。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：材料特性和磁光譜

a: NbAs體心四方結(jié)構(gòu)；

b: 單晶XRD譜圖，顯示NbAs單結(jié)晶的（001）晶面；

c: 磁光實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖；

d: 不同磁場(chǎng)下NbAs的磁光譜。

圖2：光學(xué)躍遷

a: 遠(yuǎn)紅外范圍躍遷能量與B^1/2的關(guān)系；

b: 來自實(shí)驗(yàn)（黑色）和擬合（紅色）的歸一化反射數(shù)據(jù)；

c: Weyl費(fèi)米子中的朗道能級(jí)色散；

d: 躍遷能量與朗道指數(shù)；

圖3：量子極限和手征朗道能級(jí)

a-b: 縱向磁阻，磁場(chǎng)分別高達(dá)60T和10T，對(duì)于兩個(gè)Weyl節(jié)點(diǎn)，在12T和19T處達(dá)到量子極限，插圖顯示了實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖；

c: 朗道能級(jí)圖， 朗道指數(shù)是針對(duì)1/B繪制的，電阻率峰代表整數(shù)朗道指數(shù)；

e-f: W1和W2的朗道能級(jí)色散的示意圖。

圖4：大量費(fèi)米子具有不同拓?fù)湫再|(zhì)的朗道能級(jí)圖

a: 諧振能量與磁場(chǎng)的關(guān)系；

b: 反轉(zhuǎn)和正常間隙情況下的朗道能級(jí)圖；

c: 分別為b和c中最低兩個(gè)光學(xué)躍遷的頻率對(duì)B與B^1/2關(guān)系。

圖5：大量費(fèi)米子具有不同拓?fù)湫再|(zhì)的朗道風(fēng)扇圖

NbAs中總結(jié)的準(zhǔn)粒子的朗道量子化，虛線是費(fèi)米能級(jí)，箭頭表示允許的光學(xué)躍遷，紅色和藍(lán)色分別表示W(wǎng)eyl節(jié)點(diǎn)1和Weyl節(jié)點(diǎn)2的轉(zhuǎn)變，綠色和灰色分別表示有無電子帶反轉(zhuǎn)帶隙電子帶的躍遷。

【小結(jié)】

該團(tuán)隊(duì)通過磁光譜學(xué)研究了NbAs中多個(gè)譜帶的準(zhǔn)粒子動(dòng)力學(xué)。利用在高磁場(chǎng)下磁光譜手段探測(cè)朗道能級(jí)的優(yōu)勢(shì)，非常規(guī)的光學(xué)躍遷揭示了第零手征朗道能級(jí)的存在。有限散射有助于增強(qiáng)手征朗道能級(jí)的光學(xué)躍遷。此外，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)不等價(jià)的Weyl節(jié)點(diǎn)具有不同的費(fèi)米速度，擬合光學(xué)躍遷的磁場(chǎng)依賴性揭示了費(fèi)米速度較高的NbAs中的Weyl節(jié)點(diǎn)具有更強(qiáng)的粒子空穴不對(duì)稱性。對(duì)Weyl費(fèi)米子和大量費(fèi)米子之間的朗道量子化進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證第零手征朗道能級(jí)的獨(dú)特特征。

文獻(xiàn)鏈接：Chiral Landau levels in Weyl semimetal NbAs with multiple topological carriers（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04080-4）

【課題組簡介】

晏湖根課題組主要從事低維和量子材料的光譜研究，特別是新奇材料在遠(yuǎn)紅外及紅外區(qū)域的光學(xué)性能及磁光響應(yīng)。近年來，課題組在石墨烯等離激元學(xué)、黑磷的能帶結(jié)構(gòu)和能帶調(diào)控、二維材料的激子以及拓?fù)浒虢饘俚拇殴馓匦缘阮I(lǐng)域取得多項(xiàng)進(jìn)展?！?/p>