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最近一项研究发现,在第二类型拓扑Dirac半金属(DSM) PtTe2体系中,存在压力诱导的拓扑相变:(1) 在10 GPa左右,压力诱导DSM态破缺;(2) 在20 GPa左右,压力诱发Lifshitz转变;且后者对其宏观输运性质有重要影响。该项研究以“Pressure-induced Lifshitz transition in the type II Dirac semimetal PtTe2”为题刊登于《中国科学:物理学 力学 天文学》(英文版)2019年第62卷第4期,由北京高压科学研究中心杨文革研究员、清华大学段文晖教授和复旦大学沈健教授共同担任通讯作者撰写。
Lifshitz相变
Lifshitz相变最早是由前苏联科学家Lifshitz提出的一种用于描述费米面几何拓扑性变化的概念,将复杂的能带演化过程简要概括为拓扑数的变化,从而将复杂的物理问题抽象为数学问题。
拓扑半金属
拓扑概念在物理学中有着广泛的应用,兴起于拓扑电子态对量子霍尔效应的成功解释,兴盛于拓扑绝缘体和拓扑半金属材料的理论预言和实验验证。拓扑半金属是一类具有奇异拓扑能带结构的半金属,根据其能带拓扑性和简并性,可以分为:Dirac Semimetal (DSM), Weyl Semimetal (WSM)以及Nodal-line Semimetal。其中DSM依据其狄拉克点位置与拓扑能带形状的不同而分为第一类DSM和第二类DSM (引自文献[1]),如图1所示。
图1 (a)第一类DSM和(b)第二类DSM (图片出自文献[1])
该项研究主要关注第二类DSM材料PtTe2在压力调控下的能带演化规律,及其对宏观输运性质的影响。
压力作为一种重要的调控手段在发现新现象、阐释新物理与新机制方面发挥着重要作用。该研究发现压力将诱导PtTe2的能带发生拓扑相变,具体体现在:
i) 高压下,其Dirac点随压力逐渐远离费米面,并在10 GPa左右打开能隙,由拓扑半金属态演化成普通金属态(如图2(a)所示);
ii) 进一步加压则发现其普通能带几何拓扑连通性发生了改变(从1套连通的3花瓣状演变成3个分立的圆状,几何拓扑数从1演变成3),即Lifshitz相变(如图2(b)所示)。
Lifshitz相变期间,其输运性质也发生了转变,包括:R-T曲线的变化(如图2(b)所示),载流子浓度的降低(如图2(c)所示),以及磁阻效应的改变(如图2(d)所示)等。高压XRD测量则表明在该范围内晶体结构非常稳定,无结构相变。综合来看,在以PtTe2为代表的拓扑半金属体系中,费米面处的普通体态能带结构也对其宏观输运性质有重要影响,从而刷新了人们对拓扑半金属普通体态能带的认识。
该研究从压力调控角度揭示了普通体态能带结构演化对第二类拓扑Dirac半金属材料宏观输运性质的影响,对理解拓扑材料宏观物性具有重要理论意义。从工程应用角度来看,磁阻显著的压力效应也预示着PtTe2体系在极端条件下的磁传感器件方面具有巨大潜在应用价值。
图2 PtTe2能带结构和输运性质随压力演化图:(a)体积(Volume)-压力(P)曲线&能带结构;(b) 费米面演化(Lifshitz转变) & R-T 曲线( △R=R(T)-R(2K) );(c) 载流子浓度和 (d) 磁阻
参考文献
[1] M. Z. Yan, H. Q. Huang, K. N. Zhang, E.Y. Wang, W. Yao, K. Deng, G. L. Wan, H. Y. Zhang, M. Arita, H. T. Yang, Z. Sun,H. Yao, Y. Wu, S. S. Fan, W. H. Duan, and S. Y. Zhou. Nat. Commun.8, 257 (2017).
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