拓扑材料中集体激发的高分辨率电子能量损失谱研究

论文摘要

对拓扑材料的研究是近年来凝聚态物理学中蓬勃发展的新兴领域。拓扑材料是对具有非平庸电子结构的一类材料的统称,按照不同的电子结构可以分为拓扑绝缘体和拓扑半金属等等。由于受保护拓扑态的存在,拓扑材料在单粒子层面表现出诸多独特的性质,并在理论和实验上都取得了突破性进展。元激发是凝聚态物理中用来描述低能激发态的重要概念,对于理解层展现象往往起到关键作用。那么,拓扑材料中的集体激发模式（如等离激元）是否也会表现出独特性质,甚至是否也会受到与单粒子层面相同的拓扑保护,是一个非常值得研究的课题。在本论文中,我们利用具有二维能量/动量成像能力的高分辨电子能量损失谱仪,系统探测并研究了两类典型的拓扑材料-三维拓扑绝缘体Bi2Se3和第二类外尔半金属MoTe2中的集体激发及其相互作用,发现了两类拓扑体系中具有独特性质的等离激元模式。在三维拓扑绝缘体Bi2Se3中,我们在实验上观测到了来源于其拓扑非平庸表面态的一支反常的声学支等离激元模式。与体相导带电子产生的等离激元不同,它在直到第二布里渊区中心的大动量范围表现出几乎线性的色散与极为罕见的弱衰减行为,我们证实这一弱衰减行为来源于集体激发层面的拓扑保护。此外,这支模式的能量比理论预期要低很多,预示着其与声子的强相互作用。在第二类外尔半金属MoTe2中,由于体相和表面中的非平庸能带和平庸能带共同贡献费米面,使得其集体激发模式的分析异常困难。我们利用变温实验发现在拓扑平庸相（单斜相）中的一支等离激元在进入拓扑非平庸相（正交相）中劈裂为两支模式。结合第一性原理计算,我们分析出在拓扑非平庸的正交相中的等离激元来源于外尔费米子和非相对论型费米子的相互作用。这一结果阐明了在复杂体系中,等离激元不能简单看作载流子带内的贡献,带间的耦合作用也是极为重要的。此外,我们还观测到一支奇异的声学支模式,该模式的色散行为类似于声学支声子,但是它在倒空间中呈现的周期是原本布里渊区的两倍。其来源仍是未解之谜,相关工作在进行当中。由此,我们通过对两类拓扑材料中集体激发的研究,观测到其新奇的性质并揭示出与拓扑保护相关的来源。这些工作为理解拓扑材料中的集体激发拓宽了新的认识,并为未来在相关领域中的后续工作打下坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 固体中的集体激发
•     1.1.1 等离激元
•       1.1.1.1 体相等离激元
•       1.1.1.2 表面等离激元
•       1.1.1.3 二维等离激元
•       1.1.1.4 声学支等离激元
•     1.1.2 声子
•   1.2 拓扑材料的相关进展
•     1.2.1 量子霍尔态
•     1.2.2 拓扑绝缘体
•     1.2.3 拓扑半金属
•   1.3 论文结构
• 第2章 实验技术与原理
•   2.1 超高真空技术
•   2.2 高分辨电子能量损失谱
•     2.2.1 原理
•     2.2.2 特点
•     2.2.3 新型二维谱仪
•   2.3 本论文中使用仪器介绍
•     2.3.1 低能电子衍射仪
•     2.3.2 角分辨光电子能谱仪
• 2Se₃体系中的集体激发'>第3章 三维拓扑绝缘体Bi₂Se₃体系中的集体激发
•   3.1 背景介绍
•     3.1.1 拓扑绝缘体中等离激元的理论进展
• 2Se₃简介'>    3.1.2 三维拓扑绝缘体Bi₂Se₃简介
• 2Se₃中等离激元的实验进展'>    3.1.3 Bi₂Se₃中等离激元的实验进展
•   3.2 实验方法
•   3.3 实验结果与分析
• 2Se₃中的集体激发'>    3.3.1 Bi₂Se₃中的集体激发
• 2Se₃中的集体激发'>    3.3.2 掺杂Mn元素的Bi₂Se₃中的集体激发
• 2Se₃中α模式为声学支等离激元的确认'>    3.3.3 Bi₂Se₃中α模式为声学支等离激元的确认
• 2Se₃中声学支等离激元的反常之处'>    3.3.4 Bi₂Se₃中声学支等离激元的反常之处
•   3.4 本章小结
• 2体系中的集体激发'>第4章 拓扑半金属MoTe₂体系中的集体激发
•   4.1 背景介绍
•     4.1.1 拓扑半金属中等离激元的理论进展
•     4.1.2 拓扑半金属中等离激元的实验进展
• 2简介'>    4.1.3 第二类外尔半金属MoTe₂简介
•   4.2 实验方法
•   4.3 实验结果与分析
• 2中的等离激元'>    4.3.1 MoTe₂中的等离激元
• 2中等离激元的色散'>      4.3.1.1 正交相和单斜相的MoTe₂中等离激元的色散
• 2中等离激元的温度依赖行为'>      4.3.1.2 MoTe₂中等离激元的温度依赖行为
• 2中等离激元的来源'>      4.3.1.3 MoTe₂中等离激元的来源
• 2中的奇异声学支模式'>    4.3.2 MoTe₂中的奇异声学支模式
•   4.4 本章总结
• 第5章 论文总结与展望
•   5.1 论文总结
•   5.2 论文展望
• 1-xSb_x)₂Se₃体系中等离激元的研究'>    5.2.1 (Bi_1-xSb_x)₂Se₃体系中等离激元的研究
• 2中奇异声学支模式的未来探索'>    5.2.2 MoTe₂中奇异声学支模式的未来探索
•     5.2.3 拓扑材料中等离激元的未来探索
• 附录 中英文缩略词对照表
• 参考文献
• 个人简历及发表文章目录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 贾逊

导师: 郭建东,朱学涛

关键词: 拓扑材料,集体激发,等离激元,高分辨电子能量损失谱

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,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

分类号: TB34;O469

总页数: 143

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