探索新型近藤Weyl半金属材料与压力诱导的拓扑相变

论文摘要

拓扑材料研究是二十世纪以来凝聚态物理领域中最重要的课题之一。以量子霍尔效应与量子自旋霍尔效应的发现为起点,种类繁多物性丰富的拓扑材料相继被发现。本论文主要讨论了拓扑材料研究中的几个重要内容。一个是磁性Weyl半金属材料CeSb的物性研究,以及针对重费米子Weyl半金属YbPtBi在磁场下电输运性质等的详细研究。另外我们还讨论了 PbTe薄膜样品压力诱导的Lifshitz相变,以及拓扑材料ZrTe5的压力-拓扑相图。1.寻找近藤Weyl半金属材料是近几年来拓扑材料研究的一个重要任务。在近藤Weyl半金属中,能带拓扑与强关联效应的相互影响能够导致许多非同寻常的物理现象。然而,寻找合适的近藤Weyl半金属候选材料难度却非常大。这主要是由于材料中的电子强关联效应,能带计算,角分辨光电子能谱测量（ARPES）等在弱关联系统中行之有效的方法,在强关联体系中无法起到预期的作用。因此,为了探寻新的近藤Weyl半金属材料,就需要在弱关联体系研究的经验基础上,构建更新的研究方案,发展更先进的研究手段和方法,这就要求理论与实验研究的紧密结合。我们的工作主要集中于CeSb和YbPtBi两个材料。CeSb材料是一个比较典型的磁性近藤半金属材料。利用转角磁阻测量手段,我们发现,CeSb材料在场致铁磁有序出现后,样品表现出明显的径向负磁阻行为。同时,能带计算结果表明,由于铁磁有序破坏了时间反演对称性,体系内演化出了一对Weyl节点。这些结果表明,CeSb是一个良好的近藤Weyl半金属候选材料。另一个论文中重点介绍的材料是YbPtBi。在对YbPtBi材料的研究中我们发现,Weyl点在温度降低时,受到能带杂化的影响,样品的性质发生了一系列的变化。当温度较高时,能带杂化尚未发生,样品中的场致Weyl点的手性异常特性,贡献了我们观测到的径向负磁阻。随着温度进一步降低,能带杂化发生,重的准粒子形成,因而载流子的有效费米速度迅速下降,这就导致强烈依赖于有效费米速度大小的手性异常效应强度也随之迅速下降。与此同时,我们可以观测到与温度平方成正比的比热系数,意味着样品中存在节点式的热激发。另外,在能带杂化发生前后,都能观测到反常霍尔效应和拓扑霍尔效应。这些结果表明,YbPtBi为研究电子关联效应与Weyl物理的相互影响提供了新的平台,同时也将Weyl半金属的材料研究推广到了强关联电子系统当中。2.拓扑相变一直是拓扑材料研究领域中的一个引人关注的研究方向。在之前的研究中,人们通常是通过对材料进行掺杂,调节其自旋轨道耦合强度,从而实现拓扑相变的。近来,一些理论和实验研究表明,有可能通过施加外界压力,即调节样品的晶格常数,来调控样品的能带拓扑性质。在本论文中,我主要介绍了 PbTe薄膜和ZrTe5样品在压力下的输运测量结果。基于压力下的PbTe薄膜样品的测量结果,我们发现,样品的量子振荡相因子伴随着有效质量,振荡频率等均发生了较大的变化。通过结合理论计算结果,我们发现,通过加压,可以使得材料的费米面发生重构,从而改变其能带拓扑性质。而对于ZrTe5材料,我们的加压磁场下输运结果也表明,样品的振荡相因子在高压情况下由π转变为零。通过将实验结果和理论预言相结合,我们构建了比较完整的压力-能带拓扑相图。结合这个相图,我们还对之前测量结果中出现的分歧和问题做出了可能的解释。这些结果不仅对于理解ZrTe5这一特殊的拓扑材料很有意义,也对解释Kramer类型的拓扑半金属材料中的样品差异这一常见的问题提供了一些帮助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
•   1.1 能带拓扑理论
•   1.2 量子霍尔效应与拓扑绝缘体
•     1.2.1 量子霍尔效应与量子自旋霍尔效应
•     1.2.2 三维拓扑绝缘体
•     1.2.3 拓扑绝缘体的相关发展:QAHE与拓扑超导
•   1.3 拓扑半金属
•     1.3.1 Dirac方程与Weyl方程
•     1.3.2 拓扑半金属材料的分类和意义
•   1.4 近藤效应与能带拓扑
•     1.4.1 近藤效应简介
•     1.4.2 近藤绝缘体与近藤半金属
•     1.4.3 近藤材料中的能带拓扑
•   1.5 拓扑相变
• 第二章 实验方法简介
•   2.1 电输运性质测量方法
•   2.2 磁化率测量
•     2.2.1 直流磁化率的测量
•     2.2.2 交流磁化率的测量
•   2.3 极端条件下的实验测量:极低温,强磁场与高压
•     2.3.1 极低温平台:氦四制冷机与氦三制冷机
•     2.3.2 强磁场实验技术
•     2.3.3 高压实验技术
• 第三章 近藤磁性材料CeSb材料中的手性异常效应
•   3.1 简介:X（Sb,Bi）系列半金属材料
•   3.2 CeSb单晶样品的基本性质及表征
•   3.3 CeSb样品的巨磁阻及其来源
•   3.4 CeSb样品的能带拓扑性质
•   3.5 转角磁阻测量:探究手性异常效应
•   3.6 SdH振荡测量:表征费米面性质
• 第四章 近藤Weyl半金属材料YbPtBi的物性研究
•   4.1 寻找近藤Weyl半金属的思路
•   4.2 Half-Heusler化合物:REPtBi
•   4.3 YbPtBi单晶样品的生长与表征
•   4.4 能带结构测量结果
•   4.5 转角磁阻测量结果
•   4.6 磁场下比热测量结果
•   4.7 霍尔电阻的测量与分析:反常霍尔与拓扑霍尔效应
•   4.8 强磁场测量结果
•   4.9 能带拓扑相图与总结
• 第五章 PbTe薄膜样品的能带拓扑性质调控
•   5.1 简介:3D晶体拓扑绝缘体
•   5.2 PbTe薄膜样品的生长以及晶格失配调控
•   5.3 通过压力调控PbTe薄膜样品的能带拓扑性质
•   5.4 强磁场下PbTe/CdTe异质结的测量结果
• 第六章 ZrTes:偶然Dirac半金属相在压力下的湮灭
• 5'>  6.1 简介:特殊的Dirac半金属ZrTe₅
• 5:压力诱导的能带拓扑性质变化'>  6.2 ZrTe₅:压力诱导的能带拓扑性质变化
• 5:能带拓扑的压力相图'>  6.3 ZrTe₅:能带拓扑的压力相图
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郭春煜

导师: 袁辉球

关键词: 能带拓扑,拓扑半金属,近藤半金属,拓扑相变

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 浙江大学

分类号: O469

总页数: 142

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