凝集态物理的庞大前进：正在狄拉克半金属中，发觉新的奇怪拓扑态

凝集态物理的底子研究，推动了当代电子本领的庞大前进。如晶体管、光纤、发光二极管、磁存储介质、等离子表现器、半导体、超导体等，都是凝集态物理底子研究诞生的技能清单，可谓令人震惊。在这一范畴研究事情的科学家，陆续探究和发觉令人惊奇的新征象，这些征象为将来的技能前进带来了盼望。这一范畴的一个紧张研究偏向涉及拓扑学，即一种形貌外貌状态的数学框架，纵然质料因拉伸或扭曲而变形，外貌状态也连结稳健。

拓扑外貌态的固有稳健性，在电子学和自旋电子学中有着遍及的应用。如今，一个国际科学家团队在一大类名为狄拉克半金属的三维半金属晶体中，发觉了一种奇怪的新情势拓扑态。研究职员开辟了遍及的数学机制，以弥合具有“高阶”拓扑（仅在界限界限体现出来的拓扑）情势的理论模子和真实质料中电子物理举动之间的差距。

该团队由普林斯顿大学的科学家构成，此中包罗博士后研究员Benjamin Wieder博士。化学传授Leslie Schoop和物理学传授Andrei Bernevig；伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学传授Barry Bradlyn；中国科学院北京物理研究所的物理学传授王志军；纽约州立大学石溪分校的物理学传授Jennifer Cano(CANO也从属于西蒙斯基金会，其研究结果颁发在《天然通讯》期刊上。

在已往的十年里，狄拉克和外尔（Weyl）费米子已经在很多固态质料中被猜测和试验证明。最闻名的是晶体砷化钽(TAAS)，这是第一个发觉的拓扑外尔费米子半金属。研究职员观看到，晶体砷化钽体现出被称为“费米弧”的二维拓扑外貌状态。但到现在为止，在狄拉克费米子半金属中观看到的雷同征象一向令人费解。什么是费米弧？

在半金属的配景下，它是一种外貌态，它的举动就像二维金属的一半；另一半在差别的外貌上。这在纯二维体系中是不行能的，只能作为晶体拓扑性子的函数产生。在这项研究中，研究职员发觉费米弧仅限于狄拉克半金属中的一维搭钮，在早期的研究中，Dai、Bernevig和同事们试验证明：外尔半金属的2-D外貌必然存在费米弧，而不管外貌的细节怎样，这是存在于晶体主体深处外尔费米子的拓扑效果，这起首是由Vishwanath等人从理论上猜测的。

外尔半金属像洋葱一样条理明白，差别平常的是，可以不停地剥离晶体砷化钽的外貌，但弧线一向都在那边。研究职员也观看到了狄拉克半金属中的弧形外貌态。但试图在这种外貌态和大部门质料中的狄拉克费米子之间，创建雷同的数学干系的实验都没有乐成：很显着，狄拉克外貌态来自一种差别的、无关的机制，并得出结论，狄拉克外貌态没有受到拓扑爱护。

在现在的研究中，研究职员惊奇地发觉狄拉克费米子彷佛体现出拓扑爱护的外貌态，这与这一结论相抵牾。在对从拓扑四极绝缘体（这是Bernevig与伊利诺伊州物理学传授泰勒·休斯(Taylor Hughes)新发觉的高阶拓扑体系）派生的狄拉克半金属模子举行研究后。发觉这种新质料在一维上体现出牢固的导电电子态，大概比三维狄拉克点少两个维度。

最初对这些“搭钮”状态显现的机制感触狐疑，研究职员致力于开辟一个遍及、准确可解的模子，用于拓扑四极绝缘体和狄拉克半金属的束缚态。研究职员发觉，在狄拉克半金属中，费米弧的孕育发生机制与在外尔半金属中差别。除相识决凝集态狄拉克费米子是否具有拓扑外貌态这一数十年来的题目外，研究还证明白狄拉克半金属质料是首批具有拓扑四极特性的固态质料之一，与外尔半金属差别，外尔半金属外貌态是拓扑绝缘体外貌的嫡亲。

研究已经证明狄拉克半金属可以容纳外貌态，而外貌态是高阶拓扑绝缘体角态的嫡亲。研究职员接纳了三管齐下的要领来办理题目：起首，受之前关于二维高阶拓扑体系的研究的开导，为预期具有这些属性的体系构建了一些模子，并利用群论来实行三维束缚。其次对二维体系举行了更为抽象的理论阐发，得出了要求它们出现搭钮状态的条件，纵然在模子之外也是云云。第三，对已知质料举行了阐发，联合莱斯利·斯库普传授的化学直觉、对称性束缚以及王志军传授的重新盘算：

评释搭钮弧态应该在真实质料中是可见的。灰尘落定后，研究小组发觉险些全部凝集态的狄拉克半金属现实上都应该出现搭钮状态。研究为狄拉克费米子的拓扑性子，提供了一个物理上可观看到的特性，这在曩昔是含糊其词的。很显着，假如人们找对了地方，许多曩昔研究过的狄拉克半金属现实上都有拓扑界限状态。通过第一道理盘算，研究职员从理论上证明白已知狄拉克半金属（包罗原型质料砷化镉(Cd3As2)）边沿存在被轻忽的搭钮态。

研究第一次可以或许证明二维高阶拓扑和三维狄拉克半金属之间的联络，研究发觉对包罗自旋电子学在内的新技能的进展具有启发意义，由于搭钮状态可以转换为边沿状态，其流传偏向与其自旋捆绑在一路，就像二维拓扑绝缘体的边沿状态一样。别的，高阶拓扑半金属纳米棒在与通例超导体靠近时可以在其外貌实现拓扑超导，有大概实现多个马约拉纳费米子，这些费米子被以为是实现容错量子盘算的底子。

博科园｜研究/来自：伊利诺伊大学厄本那-香槟分校

参考期刊《天然通讯》

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