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外爾半金屬WP2電阻率各向異性及其光譜研究取得進展

儀表研發 2019年12月24日 16:13:26 來源:儀表網人氣:26875
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  【儀表網 儀表研發】探索第二類外爾半金屬材料并研究其中奇異物性是目前拓撲量子物理研究中受到廣泛關注的領域之一。理論預言二磷化鎢WP2是第二類外爾半金屬。因為WP2中磷原子和過渡族金屬鎢原子之間較大的電荷密度分布差異導致其晶體結構的對稱性難以通過X射線衍射來直接確定,所以作為WP2第二類外爾半金屬態出現的前提條件之一的空間反演對稱性破缺有待實驗進一步證實。此外,WP2的晶體ac面內電阻率的各向異性隨溫度的變化還未被實驗研究,并且其晶體ac面內電阻率的各向異性能否被磁場調控尚不清楚。
 
  拓撲量子計算是近十幾年發展起來的一門新穎的交叉學科,涉及到量子計算,拓撲學,拓撲量子場論,以及含拓撲序的凝聚態物理等。拓撲量子計算利用多體系統中的拓撲量子態來存儲和操控量子信息,具有內在的容錯能力,給量子計算的物理實現帶來了希望,也促進了我們對物質拓撲量子行為的探索。
 
  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX1組特聘研究員諶志國指導博士生蘇博、聯培碩士生侯延輝與合作者開展了WP2的空間反演對稱性和其ac面內電阻率各向異性的研究。他們利用轉角線偏振拉曼光譜測得WP2中拉曼活性聲子的能量以及聲子峰強與晶體a軸和入射光電場方向之間夾角的關系均與第一性原理計算其空間反演對稱性破缺的晶體結構(空間群Cmc21)得到的結果一致。拉曼光譜實驗與理論計算結果之間的一致表明WP2晶體結構的空間反演對稱性破缺,支持WP2中存在外爾半金屬態。
 
  拉曼光譜(Raman spectra),是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼(Raman)所發現的拉曼散射效應,對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息,并應用于分子結構研究的一種分析方法。
 
  一般而言,晶體結構的特征與其電子性質密切相關,故他們進一步研究了WP2在不同溫度和不同磁場下的ac面內電阻率各向異性。低溫電輸運測量結果表明當溫度在100 K – 200 K之間,WP2的面內電阻率各向異性表現出較弱的溫度依賴,電流分別沿其晶體c軸和a軸的電阻率Rc/Ra的比值約為1.6;但當溫度低于100 K時,面內電阻率各向異性陡然增大,在溫度為10 K時Rc/Ra ≈ 8.0。進一步的電輸運測量表明,對WP2施加垂直于其ac面的磁場,可以調控其面內電阻率各向異性的大小,當磁場達到9 T時,其面內電阻率比值Rc/Ra可增大至約10.6。因此,在載流子濃度為1021 cm-3的已知第二類外爾半金屬(如MoTe2和TaIrTe4)中,WP2呈現出最大的面內電阻率各向異性。為探究WP2面內電阻率各向異性在低溫陡增的原因,他們測量了其在低溫下的線偏振紅外反射光譜。
 
  紅外光譜對樣品的適用性相當廣泛,固態、液態或氣態樣品都能應用,無機、有機、高分子化合物都可檢測。此外,紅外光譜還具有測試迅速,操作方便,重復性好,靈敏度高,試樣用量少,儀器結構簡單等特點,因此,它已成為現代結構化學和分析化學常用和不可缺少的工具。紅外光譜在高聚物的構型、構象、力學性質的研究以及物理、天文、氣象、遙感、生物、醫學等領域也有廣泛的應用。
 
  紅外光譜測量結果表明,隨著溫度的降低,WP2的載流子濃度和有效質量均表現出較弱的溫度依賴,但其ac面內散射率各向異性在溫度100 K以下突然增強,且與面內電阻率各向異性隨溫度變化的情況一致。因金屬的電阻率R一般由其載流子濃度n,載流子有效質量m*和散射率τ決定:R = m*/(e2nτ), 故WP2的低溫線偏振光譜結果說明其面內電阻率各向異性在低溫的陡然增大來源于其面內散射率各向異性的突然增強。以上研究工作為將來利用第二類外爾半金屬的電阻率各向異性發展新型電子元器件打下了基礎。
 
  第二類外爾半金屬是外爾半金屬概念的推廣,其特征是在外爾點附近的狄拉克錐是傾斜的,因此相應的電子色散關系在外爾點附近不滿足洛倫茨變換對稱性。理論上預言第二類外爾半金屬有二個實驗特征:(1)外爾點附近傾斜的電子色散關系;(2) 各向異性的負磁阻,即在ab-面僅有一個方向上存在由于ABJ-效應導致的負磁阻。WTe2是第一個理論預言的第二類外爾半金屬材料。
 
  資料來源:物理研究所、百科
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