实验证实非简单空间群拓扑绝缘体中的沙漏费米子 | 进展

“拓扑”是数学中的一个概念，近年来被广泛应用于物理领域。随着拓扑能带理论研究的不断深入，涌现出形形色色的对称性保护的拓扑量子物态，如拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导等等。这些拓扑态的一个重要特征就是存在拓扑性保护的表面电子态，如强拓扑绝缘体中的狄拉克锥型色散的表面态、拓扑外尔半金属中的非闭合费米弧表面态等等。人们利用角分辨光电子能谱（ARPES）已经从实验上证实了两类拓扑绝缘体，即时间反演对称保护的强拓扑绝缘体和镜面对称保护的拓扑晶体绝缘体。它们的表面态电子结构都具有狄拉克锥形的能带色散，表面态低能激发的准粒子是无质量的二维狄拉克费米子。

图一：（A）和（B）分别为具有简单空间对称性的拓扑平庸和非平庸绝缘体表面态能带示意图。（C）和（D）分别为具有非简单空间对称性的拓扑平庸和非平庸绝缘体表面态能带示意图。

2016年初，普林斯顿大学的王志俊博士和Bernevig教授及合作者从理论上提出了一类新的拓扑绝缘体。与之前的研究结果不同，这类拓扑绝缘体具有非简单(nonsymmorphic)的空间群，即存在滑移轴或（和）滑移面。在某些表面上，它的拓扑表面态电子结构具有类似沙漏形式的能带色散。表面态低能激发的准粒子被命名为“沙漏费米子”，以区别于其它拓扑绝缘体中的狄拉克费米子（图1）。他们还同时预言了首个非点群拓扑绝缘体KHgX(X=As,Sb,Bi)系列。

中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室（筹）EX7组丁洪研究员和钱天副研究员指导博士生马均章和吕佰晴，在上海光源“梦之线”ARPES实验站对非简单空间群拓扑绝缘体KHgSb的电子结构进行了细致的测量，观测到沙漏型色散的表面态，提供了沙漏费米子的实验证据。物理所EX1组石友国研究员和博士生伊长江提供了高质量的KHgSb单晶样品，普林斯顿大学王志俊博士和物理所T04组博士生聂思敏和翁红明研究员进行了能带计算。

图二：（A）KHgSb晶体结构示意图，黄色的面代表滑移面。（B）体态以及不同表面投影的布里渊区示意图。（C）ARPES实验测量的（001）面能带色散。（D）从ARPES实验结果提取的（010）面表面态电子结构。（E）理论计算的（001）面能带投影。（F）理论计算的（010）面能带投影，方向具有沙漏型的表面态能带。

KHgSb具有非简单空间群的晶体结构，存在滑移轴和滑移面（图2A）。理论计算表明，滑移面保护（010）表面布里渊区方向具有沙漏型的表面态能带（图2F），而在（001）表面体态能隙中不存在任何表面态（图2E）。丁洪课题组在上海光源“梦之线”上用ARPES分别测量了KHgSb不同解理面的电子结构。在（001）面清晰地观测到体态能带，揭示了体态能隙中没有表面态（图2C）。在（010）面体态能隙中观测到了表面态。通过测量（010）表面布里渊区不同方向表面态的能带色散，总结出（010）表面态电子结构（图2D），与计算结果高度吻合，提供了非简单空间群拓扑绝缘体存在沙漏费米子的首个实验证据。

这一研究成果5月5日在线发表在【Science Advances 3, e1602415 (2017)】上。物理所石友国、钱天和丁洪为该文共同通讯作者，物理所博士生马均章、伊长江、吕佰晴和普林斯顿大学王志俊博士为该文共同第一作者。该工作得到了科技部“国家重大科学研究计划”和“国家重点研发计划”（2016YFA0300600、2016YFA0401000、2015CB921300、2013CB921700）、国家自然科学基金委（11622435、11474340、11422428、11274367、11474330、11504117、11234014、11274362、11674371）和中国科学院先导B项目的支持。

论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/3/5/e1602415

编辑：J.C