角分辨光电子能谱对拓扑半金属的研究

论文摘要

自拓扑绝缘体概念提出以来,整个凝聚态物理学领域掀起了探索新拓扑材料的热潮。在具有拓扑性质的材料中,物质量子态的变化可以不发生朗道理论中的自发对称性破缺现象,而是产生拓扑序的变化,拓扑绝缘体就是众多拓扑有序态的一种。在拓扑绝缘体被发现之后,大量新奇的拓扑物态被理论预言或被实验发现,其中拓扑半金属的研究近几年取得了重要突破。根据拓扑半金属体态电子结构中能带交叉所形成的费米子类型,可以对其进行分类:（i）孤立节点型费米子,如具有四重简并点的狄拉克（Dirac）费米子、二重简并点的外尔（Weyl）费米子、三重简并的新型费米子、新型手性费米子等;（ⅱ）一维节点线（nodalline）型费米子,如具有节点环（nodal ring）结构、节点链（nodal chain）结构的半金属等;（iii）二维节点面（nodal surface）费米子;（iv）三维节点球（nodal sphere）费米子等。角分辨光电子能谱（ARPES）技术在拓扑新物态的发现上发挥了举足轻重的作用,主要因为ARPES的一大优势是能够直观展示动量空间能带的分布。本文的主题是利用ARPES对（Irl-xPtx）Te2 ZrSiS、TiB2等几种拓扑半金属进行研究,取得的主要研究成果如下:一、在（Ir1xPtx）Te2超导体中成功观测到第二类Dirac费米子并将其调控到费米能级。在可能具有超导性质的Dirac半金属中,进入超导态配对的电子与Dirac费米子和拓扑表面态有可能会发生相互作用而产生新的量子态,这就要求Dirac点必须位于费米能级附近才有可能发生。我们通过Pt元素掺杂,在x=0.1时成功将位于费米能级以上的Dirac费米子调控到费米能级处并且样品具有Tc～2K。通过连续调节光子能量测量kz方向的能带分布,我们利用ARPES证明这种Dirac费米子属于第二类Dirac费米子。二、在ZrSiS和TiB2单晶中成功观测到体态nodal line结构。我们使用软X射线（Soft-X-ray）ARPES成功观测到ZrSiS的体态电子结构,排除了其他ARPES研究组在低光子能量下观测到的表面态的干扰。实验发现,在费米能级附近,三维费米面全部由Dirac形式的能带组成,这些Dirac能带的交叉点形成连续的nodal line和nodal ring并相互连接形成三维nodal line结构。在TiB2中我们同样观测到了nodal ring结构,分布在互相垂直平面内的nodal ring相互连接形成nodal chain结构,由此产生的特殊Dirac表面态也被部分观测到。三、在ZrSiS中第一次实验发现拓扑nodal surface态。利用Soft-X-ray ARPES我们能够观测到纯净的ZrSiS体态能带结构,发现在费米能级深处有四重简并的能带存在。根据对称性仔细研究后得出,在布里渊区边界kx=±π和ky=±π处存在nodal surface结构。目前理论上已经预言多种可能存在nodal surface结构的材料,这是实验上第一次被发现。成熟的理论体系与丰富的实验手段结合推动了拓扑物理学领域的快速发展,目前“拓扑电子材料目录”已经建立,相信未来还会有更深入的发展,拓扑材料所具备的独特的物理性质在社会中也会得到广泛应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
•   1.1 物理拓扑概念的起源
•     1.1.1 量子霍尔效应
•     1.1.2 量子自旋霍尔效应
•   1.2 拓扑材料的主要分类
•     1.2.1 拓扑绝缘体
•     1.2.2 拓扑半金属
•     1.2.3 拓扑超导体
•   1.3 论文选题及全文结构
• 第2章 角分辨光电子能谱技术
•   2.1 角分辨光电子能谱基本原理
•     2.1.1 三步模型与突然近似
•     2.1.2 单粒子谱函数
•     2.1.3 矩阵元效应
•   2.2 ARPES实验系统
•     2.2.1 实验系统构造
•     2.2.2 ARPES实验数据处理
•     2.2.3 上海光源梦之线ARPES实验系统
• 2的Pt掺杂研究'>第3章 第二类狄拉克半金属IrTe₂的Pt掺杂研究
• 2体系的拓扑性质'>  3.1 过渡金属硫化物PtSe₂体系的拓扑性质
• 2单晶的系统研究'>  3.2 Pt掺杂的IrTe₂单晶的系统研究
•     3.2.1 单晶样品制备
•     3.2.2 掺杂样品的表征
•     3.2.3 Type-Ⅱ Dirac点的确认
•     3.2.4 Dirac点的调控及能带演化
•   3.3 总结与展望
• 第4章 拓扑节点线半金属
•   4.1 拓扑nodal line半金属的简介
•     4.1.1 拓扑nodal line半金属的性质
•     4.1.2 材料的分类及预言
•   4.2 ZrSiS单晶中nodal line的观测
•     4.2.1 ZrSiS体系的研究现状
•     4.2.2 光子能量对ARPES实验测量ZrSiS的影响
•     4.2.3 ZrSiS表面态及体态电子结构
•     4.2.4 ZrSiS中的拓扑nodal line结构
• 2中nodal-chain结构的实验发现'>  4.3 TiB₂中nodal-chain结构的实验发现
•   4.4 小结
• 第5章 拓扑节点面半金属
•   5.1 拓扑节点面半金属简介
•     5.1.1 基本物理性质
•     5.1.2 材料的理论预言
•   5.2 ZrSiS中拓扑nodal surface结构的实验观测
•   5.3 小结
• 第6章 全文总结
• 参考文献
• 个人简历
• 发表文章目录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 付彬彬

导师: 丁洪,钱天

关键词: 拓扑半金属,狄拉克费米子

来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

分类号: O469

总页数: 114

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