强磁场中心在静水压调控拓扑材料ZrTe5能带结构研究中取得新进展
时间 : 2017-05-24     

近期,强磁场中心张警蕾副研究员与田明亮课题组、浙江大学袁辉球课题组合作,在静水压调控拓扑材料ZrTe5能带结构研究中取得重要进展。相关研究结果以“Disruption of the Accidental Dirac Semimetal State in ZrTe5 under Hydrostatic Pressure”为题在美国物理学会期刊Physical Review Letters上发表。  

自上世纪80年代以来,层状的ZrTe5作为一种传统的热电材料而广受关注。最近的研究表明,单层ZrTe5是一类大能隙的二维拓扑绝缘体;而由层状ZrTe5堆积而成的三维体材料则处于三维强、弱拓扑绝缘体相变点附近。另一方面,针对ZrTe5的输运和角分辨光电子能谱测量表明该材料属于三维狄拉克半金属。由于ZrTe5电子结构对晶格参数非常敏感,因此细微的晶格参数改变都可能导致其在强、弱拓扑绝缘体态、狄拉克半金属态之间发生相互转变。  

压力是调节晶格参数最为有效的方法。利用活塞式压力包,研究人员对ZrTe5电子态在0~2.5GPa压力区间的演化进行了深入研究。实验发现,磁场方向沿着晶体b轴方向时,ZrTe5的磁阻随着压力的增加会迅速地减小。此外,当压力高于2GPa时,ZrTe5的量子振荡相位会由拓扑非平庸变为拓扑平庸。这表明静水压破坏了ZrTe5的“偶然”狄拉克半金属态。另一方面,磁场方向沿着晶体c轴时,ZrTe5磁阻与量子震荡几乎不受到静水压的影响。对不同磁场方向的量子振荡分析结果显示,伴随着狄拉克半金属态的消失,ZrTe5费米面由各向异性极强的准二维结构演变成各向同性的三维结构。这一结果有力地支持了ZrTe5的狄拉克锥具有准二维特点。该工作对于理解ZrTe5 “偶然”狄拉克半金属态具有重要意义。  

该研究得到了国家重点研究计划项目、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金以及合肥大科学中心等项目的支持。部分实验数据在稳态强磁场实验装置多功能物性测试系统(PPMS)设备上采集完成。  
论文连接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.206601

  
不同压力下ZrTe5的(a)磁阻(b)量子振荡(c)ZrTe5量子振荡频率以及有效质量随压力的变化(d)不同压力下,ZrTe5朗道指数随磁场倒数的关系。