论文摘要
根据固体电子能带理论,固体中的电子行为是由其能带结构决定的,而固体中原子的排列顺序则可以控制能带结构。因此实际上我们可以通过人工设计晶体结构在固体中实现各种非平庸的能带。例如构造六边形蜂窝晶格可以实现具有线性色散关系的Dirac能带,如石墨烯等。Dirac能带中电子没有质量,电子态密度很低,同时电子的运动速度很快。因此以石墨烯为例的Dirac材料展现出了诸如双极性输运、半整数量子霍尔效应和Klein隧穿等物理效应。与之相反,通过设计一些特殊的晶格结构,使得电子因布洛赫波函数的相消干涉而被局域起来,进而产生与Dirac能带形成鲜明对比的平带。平带描述了高简并无色散的电子态。平带中的电子具有很重的质量。在理想平带中,电子动能淬灭,电子间的库仑相互作用占主导地位。由于其特殊性,理论预言平带可能导致各种激动人心的物理效应,包括铁磁性、高温分数量子霍尔效应、Wigner晶体、玻色-爱因斯坦凝聚、以及高温超导等等。Kagome晶格是一种由对顶三角格子组成的特殊结构,将honeycomb结构最近邻的每个边的中心点连接起来就变成kagome结构,因此kagome晶格也可以看成是honeycomb晶格的一个简单变化。但是从能带上看kagome晶格展现出更丰富的特性。首先因为结构的特殊性,电子在kagome晶格内会发生布洛赫波函数的相消干涉而被局域在六元环内,进而导致几近无色散的平带。此外它还保留了 honeycomb的能带特征,存在Dirac能带。因此kagome晶格是同时研究的Dirac能带和平带的绝佳平台。本论文研究对象就是kagome晶格材料,本文结构安排如下:第一章,我们主要是对研究对象以及背景进行介绍。在这里我们先介绍了平带、Dirac能带、Weyl半金属这三大块,简要说明了这三种能带的特征与实现材料。随后对kagome晶格以及轨道抗磁性进行介绍,简单地推导出kagome晶格的能带结构,并列举了部分具有kagome结构的真实材料。最后介绍了三种我们在研究kagome材料时用到的重要实验设备。第二章,我们结合扫描隧道显微术、角分辨光电子能谱、第一性原理计算等实验和理论手段,证实准二维kagome化合物Fe3Sn2确实存在平带电子结构,且这个平带是由Fe原子组成的kagome晶格产生的。随后我们从实验上进一步证实Fe3Sn2具有高温铁磁序,并从理论上进行解释,将其归因于电子关联和kagome晶格的协同作用。我们的研究不仅第一次展示了实际kagome晶格存在平带电子结构,而且为探索晶格驱动长程铁磁序提供了新思路。第三章,我们通过结合角分辨光电子能谱、第一性原理计算等实验和理论手段,第一次在反铁磁kagome晶格FeSn体态中观察到了Dirac能带,并证实了这个Dirac点是受PT+S2 对称性保护的。同时还发现通过控制体系的自旋磁矩方向能够控制Dirac点能隙的开关,进而实现自旋控制拓扑相变。此外在FeSn表面态中我们还发现了Stark效应产生的Weyl点,并观察到了连接两个Weyl点的表面态。我们的研究第一次在实验上证实了反铁磁Dirac材料的存在,并且这个Dirac能隙是自旋可调的,这为将来在反铁磁自旋电子学中的应用打下了坚实的基础。第四章,我们通过磁性表征和电输运证明了kagome晶格CoSn是一种泡利顺磁性材料。进一步的磁性实验发现了CoSn具有各向异性磁特征。低温下,在面外方向观察到了的抗磁,而在面内方向则没有。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 林志勇
导师: 曾长淦
关键词: 平带,能带,磁性,对称性
来源: 中国科学技术大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 中国科学技术大学
分类号: O469
总页数: 102
文件大小: 9341K
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