辦公平台 | 所內郵箱 | ARP | English
當前位置: 首頁 > 新聞動態 > 科研動態
中國科學院物理研究所 SF9組供稿 第41期 2019年06月06日
北京凝聚態物理國家研究中心
矽烯中發現周期勢誘導的狄拉克錐的劈裂

  由第IV主族元素組成的蜂窩狀材料,比如石墨烯,具有很多奇特的物性,這些奇特物性的根源在于其費米面附近的電子表現爲無質量的狄拉克費米子。從能帶角度來說,這些材料在布裏淵區的K點處的能帶爲狄拉克錐。調控狄拉克費米子中的物理特性對于實現新型的量子器件具有重要的意義。比如,施加周期勢可以實現狄拉克費米子費米速度的重整,複制狄拉克錐或者在狄拉克點處打開能隙,從而使得人們能夠調控其輸運性質。值得一提的是,在三維狄拉克半金屬中,破壞空間反演對稱性或者時間反演對稱性將使狄拉克錐劈裂成兩個外爾錐,産生很多新奇的物性,比如手性反常、超大磁阻等。然而,在二維材料中,尚無實驗證據表明狄拉克錐可以發生動量上的劈裂。

  最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理国家重点实验室SF9组的冯宝杰特聘研究員、陈岚研究員、吴克辉研究員与SF10组的博士生周辉、研究員孟胜进行合作,利用角分辨光电子能谱(ARPES)并结合理论计算发现了单层硅烯的狄拉克锥会发生劈裂,该劈裂是由于衬底的长程周期势所导致。

  硅烯作为一种新型的量子材料,具有很多优于石墨烯的奇特物性,比如量子自旋霍尔效应等,因此硅烯在石墨烯出现之后便受到了广泛的关注。实际上,2016年,SF9组同SC7组的周兴江研究員进行合作,已经发现了成对出现的狄拉克锥(PNAS 113, 14656 (2016))。在此基础上,他们对这些狄拉克锥的起源进行了深入的研究。他们利用同步辐射光源的ARPES详细地研究了硅烯的电子结构:利用线二色性效应,发现狄拉克锥仅对p偏振光可见,结合ARPES中的矩阵元效应,可以判断出这些狄拉克锥主要来自于硅的pz軌道,從而在實驗上證實了這些狄拉克錐來自于矽烯本身。利用第一性原理及緊束縛模型,他們發現矽烯與襯底形成的4×4超結構將産生周期性的勢場,該周期勢場將使狄拉克錐發生劈裂。

  这项工作一方面为调控狄拉克锥的物性提供了一项重要的手段,另一方面澄清了长期以来硅烯中的狄拉克锥是否被衬底破坏的争议。这一成果发表在Phys. Rev. Lett. 122, 196801 (2019)上。该工作得到国家自然科学基金委、科技部和中科院B类先导专项等基金的资助。

圖1:矽烯的原子結構及成對出現的狄拉克錐
圖2:線二色性ARPES示意圖及測量結果
圖3:緊束縛模型和DFT計算結果
下載附件>> PhysRevLett.122.196801(2019).pdf
中科院logo