央廣網(wǎng)上海11月2日消息（記者傅聞捷）近日，復(fù)旦大學(xué)物理系修發(fā)賢教授課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中探測到由表面態(tài)費米弧和體態(tài)手性能級構(gòu)成的一種新型電子回旋軌道-外爾軌道，并首次發(fā)現(xiàn)其在強場下的量子霍爾效應(yīng),。今天,，相關(guān)研究成果以《狄拉克半金屬砷化鎘中外爾軌道的演變以及量子霍爾效應(yīng)》（Evolution of Weyl orbit and quantum Hall effect in Dirac semimetal Cd3As2）在線發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications 8,，1272,，DOI: 10.1038/s41467-017-01438-y （2017））。

近幾年拓撲半金屬的興起使得能帶的拓撲分類由絕緣體拓展到了半金屬,。其低能態(tài)電子激發(fā)符合所謂的外爾方程,，對應(yīng)的準粒子屬于無質(zhì)量且有手性的外爾費米子，母體材料被稱為外爾半金屬,。本次研究的狄拉克半金屬砷化鎘可被看成是相反手性外爾點在倒空間簡并的一種特殊的外爾半金屬,，它們被統(tǒng)稱為拓撲半金屬。拓撲半金屬有很多新奇的物理性質(zhì),，比如體態(tài)能帶是線性色散,，使得載流子遷移率非常高，并且具有超大的磁阻,，在外場下出現(xiàn)的手性異常,。修發(fā)賢課題組近年在拓撲半金屬領(lǐng)域中關(guān)于這些新奇特性做了大量研究工作。

除此之外,，拓撲半金屬還具有一個重要特征-費米弧表面態(tài),。常規(guī)的沒有達到布里淵區(qū)邊界的費米面都是閉合的，而這里的費米弧則是一段非閉合曲線,。這一獨特性質(zhì)在研究中通常被當(dāng)作確認拓撲半金屬的重要指標,，在光電子能譜實驗中有大量應(yīng)用,。在磁場下，普通能帶的電子在倒空間會沿著費米面截面的閉合曲線做回旋運動,，而對于費米弧而言,，其兩個端點最終連接的是體態(tài)的外爾點，因此正常情況下不會形成回旋軌道,。加州大學(xué)伯克利分校的Ashvin Vishwanath小組提出如果在低維體系中,，上下表面的費米弧能在磁場下耦合起來形成閉合回路，用于連接的正是同樣穿過外爾點的體態(tài)手性能級,，就如同在晶體中構(gòu)建了一個連接不同表面的蟲洞,，能讓電子發(fā)生自由隧穿。這一理論在2016年被一實驗課題組通過測量對應(yīng)耦合軌道的量子振蕩所驗證,。

此次的研究工作則進一步研究耦合軌道面積和體態(tài)費米波矢依賴關(guān)系,，從另一個角度證明了外爾軌道的機制。更重要的是,，本次實驗所生長的高質(zhì)量砷化鎘納米晶體相比之前研究中的塊材具有極低的費米面,，在強磁場下能突破體態(tài)的量子極限并將表面電子態(tài)處于較低的朗道能級。出乎意料的是這一耦合軌道在實驗中呈現(xiàn)出了量子霍爾效應(yīng),。常規(guī)來說,，量子霍爾效應(yīng)只發(fā)生在二維體系,，而此處的外爾軌道具有沿磁場方向的體態(tài)運動,，發(fā)生在第三個維度。對此,，實驗現(xiàn)象反過來說明通過手性能級的體態(tài)過程也是個無耗散的輸運,，并且樣品的尺寸限制效應(yīng)導(dǎo)致了對應(yīng)體態(tài)的輸運模式是有限的。根據(jù)量子霍爾電阻隨磁場的演變,，電子態(tài)的一些關(guān)鍵參數(shù)比如簡并度,、費米弧長度等也被分析獲取，對后續(xù)的深入研究起到了很好的推動作用,。物理上而言,，這個發(fā)現(xiàn)具有重大意義，它將量子霍爾態(tài)首次引入到拓撲半金屬,，并證明手性能級的無耗散輸運,，將會把外爾軌道的研究推上了一個新的高度和理論深度。

據(jù)了解,，該工作是在中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心,、美國國家強磁場實驗室（NHMFL）等單位提供的強磁場條件下完成的，愛爾蘭都柏林三一學(xué)院（Trinity College）的Stefano Sanvito教授和Awadhesh Narayan博士提供了理論支持,，修發(fā)賢教授為通訊作者,，課題組博士生張成為第一作者,。

在論文發(fā)表過程中，南方科技大學(xué)物理系盧海舟課題組也同時在理論上提出基于外爾軌道的三維量子霍爾效應(yīng)（Phys. Rev. Lett. 119, 136806 (2017)）,。

修發(fā)賢課題組主要從事拓撲狄拉克材料的生長,、量子調(diào)控以及新型二維原子晶體的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長,、物性測量以及量子器件的制備與表征,。在二維材料的器件方面主要研究其電學(xué)、磁學(xué)和光電特性,。本工作獲得了復(fù)旦大學(xué)物理系,、應(yīng)用表面物理國家重點實驗室、國家青年千人計劃,、國家重點研發(fā)計劃,、基金委優(yōu)秀青年基金和面上項目的大力支持。