金屬所在堿土金屬單質中發現拓撲狄拉克節線量子態

　　金屬單質鈹具有十分罕見的性質，不但具有極輕高強的特點，而且是優異的等離子體面向材料（比如核聚變堆鈹毯），是反應堆中最好的中子減速劑，是透X射線的能力最強的金屬等。因此，鈹在原子能、火箭、導彈、航空、宇宙航行以及冶金工業中有重要作用。同時，鈹還具有特殊的電子結構，其電子輸運性質接近于半金屬，磁場條件下會出現朗道量子振蕩；與絕大多數其它金屬單質不同，在其（0001）面上的表面態嚴重偏離近自由電子模型并且會出現奇異原子弛豫現象，伴隨著強電-聲耦合效應和巨大的反常弗里德爾振蕩。在過去的六十多年里，對金屬鈹奇異性質的機理探索從未停止，并引起了長期的爭論。早期的理論認為金屬鈹表面的特殊現象與其巨大的原子弛豫有關，但在接下來的研究中人們發現這種理論并不合理，與諸多實驗與理論結果相矛盾。金屬鈹特殊性質的機理依然是一個懸而未決的科學謎題。

　　最近，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室材料加工模擬研究部研究員陳星秋、博士生李榮漢等通過第一原理計算，在金屬鈹單質中發現拓撲狄拉克節線（Topological Dirac Node Lines）量子態。它與拓撲狄拉克半金屬和外爾半金屬不同，該類新的量子態是金屬能帶線性交叉點在晶格動量空間形成連續閉合的曲線。它在鈹的（0001）表面的投影是一個閉合的圓，圓內出現受體態保護半占據的拓撲非平庸能帶，會在費米能處出現極高的態密度。令人吃驚的是，這條拓撲非平庸的表面態從上個世紀80年代起就先后被國際上諸多研究團隊實驗觀察到，但當時其產生機理并未被揭示。當前研究表明，其特殊的表面電子能帶結構來源于體材料中的拓撲狄拉克節線量子態，基于這個認識金屬鈹的諸多特殊現象可以得到完美的解釋，解決了長久以來困擾人們的謎題。

　　更重要的是，這一發現不僅解決了金屬鈹中困擾的機理問題，也證實了拓撲狄拉克節線量子態的存在。早在1976年，麻省理工學者R. Jackiw和C. Rebbi通過求解狄拉克方程和楊-米爾斯方程，預測在費米場中孤子態存在這種量子態，但迄今缺乏實證。2011年，美國加利福尼亞圣芭芭拉分校教授Leon Balents和加拿大滑鐵盧大學教授A. A. Burkov進一步研究認為，這種量子態可以在固體材料中以準粒子形式存在。近幾年，在實際材料中尋找這種新的量子態成為廣受關注的熱門領域，雖然先后在很多材料中預測存在這種量子態，均未被實驗驗證。當前，在金屬鈹中的結果證實了這種量子態誘發的拓撲非平庸表面態，為拓撲狄拉克節線量子態的存在提供了強有力的證據。審稿人認為，“這是第一個被實驗證實的狄拉克節線量子態的體系”。

　　同時，研究還進一步發現該類型量子態也存在于鎂、鈣和鍶等堿土金屬單質中，金屬鎂中的狄拉克節線與鈹類似，具有相似的表面態，理論結果也與實驗吻合。鈣和鍶中的狄拉克節線態稍有不同，其拓撲非平庸表面態出現在狄拉克節線外部。由于堿土金屬單質尤其是鈹的自旋-軌道耦合效應極為微弱，不用擔心因該效應導致狄拉克節線退化成狄拉克半金屬或者外爾半金屬，因此它們提供了一個穩定的平臺研究狄拉克節線量子態相關的現象。

　　研究工作得到沈陽材料科學國家（聯合）實驗室頂層導向研究項目和國家自然科學基金項目的支持。相關成果發表在《物理評論快報》上。

圖1. 拓撲狄拉克結線量子態。（a）在鈹單質中，狄拉克節線量子態位于動量空間內的kz=0的平面；（b）在鈣單質中，狄拉克節線量子態位于動量空間內的kx+ky=0的平面。

圖2.（a）計算的鈹單質(0001)表面的費米面，Ring A為拓撲狄拉克節線的投影，而Ring B則為拓撲非平庸半占據表面態。(b和c) 2005年實驗報道的ARPES結果，證實了Ring B的表面態[見Phys. Rev. B, 72, 165414 (2005)]。（d）1997年STM實驗觀察到的巨大反常弗里德爾振蕩結果，經傅里葉變換后的二維圖像[見Science,275,1765,(1997)]。

圖3. 鈹單質（0001）表面由體態拓撲保護的非平庸表面態（SF-band 1）與ARPES實驗結果一致。