中國(guó)科大等在黑磷中發(fā)現(xiàn)壓力誘導(dǎo)的狄拉克半金屬態(tài)

　　近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳仙輝研究組與復(fù)旦大學(xué)教授張遠(yuǎn)波、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員鄒良劍合作，在具有反常能帶色散的三維電子系統(tǒng)研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在10月28日的《物理評(píng)論快報(bào)》上，論文第一作者為中國(guó)科大博士研究生項(xiàng)子霽。

　　具有線性色散能帶和相對(duì)論性準(zhǔn)粒子的三維固體材料（包括狄拉克半金屬，Weyl半金屬和Rashba半導(dǎo)體等）是當(dāng)前凝聚態(tài)物理學(xué)界研究熱點(diǎn)，而擁有和石墨類(lèi)似的六角格子層狀結(jié)構(gòu)的元素半導(dǎo)體黑磷以其眾多特殊的物性（如準(zhǔn)二維性、直接帶隙、較大的面內(nèi)各向異性和高載流子遷移率）而成為近期的明星材料。陳仙輝研究組和張遠(yuǎn)波研究組在黑磷的研究中已合作實(shí)現(xiàn)黑磷材料的二維場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Nature Nanotech. 2014, 9, 372-377），并在黑磷量子阱中實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)誘導(dǎo)的高遷移率二維電子氣（Nature Nanotech. 2015, 10, 608-613）。本次報(bào)道中涉及的研究成果則在黑磷和狄拉克半金屬兩個(gè)近期備受關(guān)注的研究方向之間建立了直接聯(lián)系。

　　陳仙輝研究組及其合作者在電輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)黑磷單晶中的直接帶隙會(huì)在外加靜水壓下逐漸關(guān)閉。在外加壓強(qiáng)達(dá)到1.2GPa時(shí)，黑磷會(huì)經(jīng)歷電子相變而進(jìn)入一個(gè)新的物態(tài)，這個(gè)高壓相具有典型的半金屬特征，包括反常大的正磁阻以及電子空穴兩種載流子的共存。對(duì)高壓下半金屬態(tài)的量子振蕩分析結(jié)果表明其電子結(jié)構(gòu)中包括非常小的多重費(fèi)米口袋和有效質(zhì)量極輕的載流子，其中一個(gè)費(fèi)米口袋的量子振蕩信號(hào)顯示出拓?fù)浞瞧接沟恼袷幭辔?，這說(shuō)明該能帶具有反常的線性色散關(guān)系，其中載流子的本質(zhì)則是狄拉克費(fèi)米子。

　　這是首次在輸運(yùn)測(cè)量中證明黑磷中存在奇異電子態(tài)，也是首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到壓力誘導(dǎo)的狄拉克半金屬相，對(duì)于理解固體材料中相對(duì)論性準(zhǔn)粒子和反常色散能帶的形成與演化具有重要意義。

    該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)的資助。

    (a) 黑磷中壓力誘導(dǎo)的半金屬態(tài)的電導(dǎo)率振蕩；(b) 對(duì)朗道能級(jí)指標(biāo)的分析表明其中存在拓?fù)浞瞧接沟恼袷幭辔弧?/FONT>