靜水壓調(diào)控拓撲材料ZrTe5能帶結構研究獲進展

　　近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心副研究員張警蕾與研究員田明亮課題組、浙江大學袁輝球課題組合作，在靜水壓調(diào)控拓撲材料ZrTe5能帶結構研究中取得新進展。相關研究結果以Disruption of the Accidental Dirac Semimetal State in ZrTe5 under Hydrostatic Pressure 為題在美國物理學會期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表。

　　自上世紀80年代以來，層狀的ZrTe5作為一種傳統(tǒng)的熱電材料而廣受關注。最近的研究表明，單層ZrTe5是一類大能隙的二維拓撲絕緣體；而由層狀ZrTe5堆積而成的三維體材料則處于三維強、弱拓撲絕緣體相變點附近。另一方面，針對ZrTe5的輸運和角分辨光電子能譜測量表明該材料屬于三維狄拉克半金屬。由于ZrTe5電子結構對晶格參數(shù)非常敏感，因此細微的晶格參數(shù)改變都可能導致其在強、弱拓撲絕緣體態(tài)、狄拉克半金屬態(tài)之間發(fā)生相互轉變。

　　壓力是調(diào)節(jié)晶格參數(shù)最為有效的方法。利用活塞式壓力包，研究人員對ZrTe5電子態(tài)在0~2.5GPa壓力區(qū)間的演化進行了深入研究。實驗發(fā)現(xiàn)，磁場方向沿著晶體b軸方向時，ZrTe5的磁阻隨著壓力的增加會迅速地減小。此外，當壓力高于2GPa時，ZrTe5的量子振蕩相位會由拓撲非平庸變?yōu)橥負淦接?。這表明靜水壓破壞了ZrTe5的“偶然”狄拉克半金屬態(tài)。另一方面，磁場方向沿著晶體c軸時，ZrTe5磁阻與量子震蕩幾乎不受到靜水壓的影響。對不同磁場方向的量子振蕩分析結果顯示，伴隨著狄拉克半金屬態(tài)的消失，ZrTe5費米面由各向異性極強的準二維結構演變成各向同性的三維結構。這一結果有力地支持了ZrTe5的狄拉克錐具有準二維特點。該工作對于理解ZrTe5“偶然”狄拉克半金屬態(tài)具有重要意義。

　　該研究得到了國家重點研究計劃項目、國家自然科學基金、安徽省自然科學基金以及合肥大科學中心等項目的支持。部分實驗數(shù)據(jù)在穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置多功能物性測試系統(tǒng)（PPMS）設備上采集完成。

　　不同壓力下ZrTe5的（a）磁阻（b）量子振蕩（c）ZrTe5量子振蕩頻率以及有效質(zhì)量隨壓力的變化；（d）不同壓力下，ZrTe5朗道指數(shù)隨磁場倒數(shù)的關系。