合肥研究院在拓撲半金屬材料研究中取得進展

　　近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研究員田明亮課題組在拓撲半金屬材料研究方面取得新進展。相關(guān)研究結(jié)果以Extremely large magnetoresistance in topological semimetal candidate pyrite PtBi2 為題，作為編輯推薦（Editor’s Suggestion）論文發(fā)表在近期的美國物理學會期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

　　拓撲狄拉克半金屬是目前凝聚態(tài)和材料科學領(lǐng)域研究的前沿，在未來低能耗電子學器件應用上具有潛在價值。由于其電子能帶具有三維的狄拉克錐結(jié)構(gòu)，可視為“三維石墨烯”。在接近能帶的狄拉克點，載流子具有很高的遷移率并表現(xiàn)出超大的線性磁電阻效應等。最近理論工作預言，在立方PtBi2中可能存在非平庸的能帶結(jié)構(gòu)，是一種新的拓撲半金屬材料。強磁場中心副研究員朱相德經(jīng)過反復探索，成功合成出高質(zhì)量PtBi2單晶樣品，其低溫下剩余電阻比高達1700。

　　課題組博士研究生高文帥和研究員寧偉利用穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置，系統(tǒng)研究了半金屬立方相PtBi2單晶的高場磁電阻行為，發(fā)現(xiàn)在33T磁場下的磁電阻高達1.12×107%且沒有達到飽和，超過目前已知的其他拓撲半金屬材料中觀察到的最大磁阻。

　　高磁場下的Shubnikov de Hass量子振蕩實驗研究發(fā)現(xiàn)，立方PtBi2表現(xiàn)出高載流子遷移率（~105cm2V-1s-1）和超大的磁電阻效應，而且存在非平庸的貝里相位，屬于新一類拓撲狄拉克半金屬材料。強磁場中心研究員郝寧寧以及北京應用物理與計算數(shù)學研究所副研究員鄭法偉通過第一性原理方法，從能帶計算上確認了PtBi2中存在狄拉克點，且費米面附近存在三種有效質(zhì)量不同的載流子，與實驗結(jié)果一致。

　　研究工作受到國家自然科學基金項目、百人計劃項目以及國家重點研發(fā)計劃項目資助。

圖1. 立方PtBi2的電輸運性能。在33T磁場下其磁電阻高達1.12×107% 

圖2. 立方PtBi2的能帶結(jié)構(gòu)和費米面。費米面附近存在三種有效質(zhì)量不同的載流子