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外尔半金属WP2电阻率各向异性及其光谱研究取得进展

875    2019-12-25

       探索第二类外尔半金属材料并研究其中奇异物性是目前拓扑量子物理研究中受到广泛关注的领域之一。理论预言二磷化钨WP2是第二类外尔半金属。因为WP2中磷原子和过渡族金属钨原子之间较大的电荷密度分布差异导致其晶体结构的对称性难以通过X射线衍射来直接确定,所以作为WP2第二类外尔半金属态出现的前提条件之一的空间反演对称性破缺有待实验进一步证实。此外,WP2的晶体ac面内电阻率的各向异性随温度的变化还未被实验研究,并且其晶体ac面内电阻率的各向异性能否被磁场调控尚不清楚。


  拓扑量子计算是近十几年发展起来的一门新颖的交叉学科,涉及到量子计算,拓扑学,拓扑量子场论,以及含拓扑序的凝聚态物理等。拓扑量子计算利用多体系统中的拓扑量子态来存储和操控量子信息,具有内在的容错能力,给量子计算的物理实现带来了希望,也促进了我们对物质拓扑量子行为的探索。
 
  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX1组特聘研究员谌志国指导博士生苏博、联培硕士生侯延辉与合作者开展了WP2的空间反演对称性和其ac面内电阻率各向异性的研究。他们利用转角线偏振拉曼光谱测得WP2中拉曼活性声子的能量以及声子峰强与晶体a轴和入射光电场方向之间夹角的关系均与第一性原理计算其空间反演对称性破缺的晶体结构(空间群Cmc21)得到的结果一致。拉曼光谱实验与理论计算结果之间的一致表明WP2晶体结构的空间反演对称性破缺,支持WP2中存在外尔半金属态。
 
  拉曼光谱(Raman spectra),是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应,对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息,并应用于分子结构研究的一种分析方法。
 
  一般而言,晶体结构的特征与其电子性质密切相关,故他们进一步研究了WP2在不同温度和不同磁场下的ac面内电阻率各向异性。低温电输运测量结果表明当温度在100 K – 200 K之间,WP2的面内电阻率各向异性表现出较弱的温度依赖,电流分别沿其晶体c轴和a轴的电阻率Rc/Ra的比值约为1.6;但当温度低于100 K时,面内电阻率各向异性陡然增大,在温度为10 K时Rc/Ra ≈ 8.0。进一步的电输运测量表明,对WP2施加垂直于其ac面的磁场,可以调控其面内电阻率各向异性的大小,当磁场达到9 T时,其面内电阻率比值Rc/Ra可增大至约10.6。因此,在载流子浓度为1021 cm-3的已知第二类外尔半金属(如MoTe2和TaIrTe4)中,WP2呈现出最大的面内电阻率各向异性。为探究WP2面内电阻率各向异性在低温陡增的原因,他们测量了其在低温下的线偏振红外反射光谱。
 
  红外光谱对样品的适用性相当广泛,固态、液态或气态样品都能应用,无机、有机、高分子化合物都可检测。此外,红外光谱还具有测试迅速,操作方便,重复性好,灵敏度高,试样用量少,仪器结构简单等特点,因此,它已成为现代结构化学和分析化学常用和不可缺少的工具。红外光谱在高聚物的构型、构象、力学性质的研究以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域也有广泛的应用。
 
  红外光谱测量结果表明,随着温度的降低,WP2的载流子浓度和有效质量均表现出较弱的温度依赖,但其ac面内散射率各向异性在温度100 K以下突然增强,且与面内电阻率各向异性随温度变化的情况一致。因金属的电阻率R一般由其载流子浓度n,载流子有效质量m*和散射率τ决定:R = m*/(e2nτ), 故WP2的低温线偏振光谱结果说明其面内电阻率各向异性在低温的陡然增大来源于其面内散射率各向异性的突然增强。以上研究工作为将来利用第二类外尔半金属的电阻率各向异性发展新型电子元器件打下了基础。
 
  第二类外尔半金属是外尔半金属概念的推广,其特征是在外尔点附近的狄拉克锥是倾斜的,因此相应的电子色散关系在外尔点附近不满足洛伦茨变换对称性。理论上预言第二类外尔半金属有二个实验特征:(1)外尔点附近倾斜的电子色散关系;(2) 各向异性的负磁阻,即在ab-面仅有一个方向上存在由于ABJ-效应导致的负磁阻。WTe2是第一个理论预言的第二类外尔半金属材料。
 
  资料来源:物理研究所、百科


来源:仪表网

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