我國學者觀測到碳化鎢中的三重簡并點和費米弧表面態

　　中科院物理研究所極端條件七組丁洪研究員等確定了碳化鎢（WC）中三重簡并半金屬態的拓撲性質，合理解釋了表面態觀測結果。這是繼狄拉克半金屬和外爾半金屬之后確定的又一類具有拓撲非平庸性質的半金屬態。相關工作發表在Nature Physics期刊上。

圖1. WC體態電子結構中存在三重簡并點。a）四重簡并狄拉克費米子、三重簡并費米子以及兩重簡并外爾費米子能帶結構示意圖。b）沿布里淵區高對稱線體態能帶結構計算結果。沿ΓA方向，兩重簡并（綠色）和自旋非簡并（紅色）能帶交叉形成四個三重簡并點，其中#1在費米能級之下，可以被ARPES探測到。c）體布里淵區。cut1（綠色）和cut2（紅色）分別沿kz和ky方向穿過三重簡并點#1。d）沿cut1觀測到的能帶色散，圖中曲線是能帶計算結果。e）沿cut2觀測到的能帶色散。f）沿cut2的能帶計算結果。

　　中科院物理所研究人員前期理論和實驗工作中，在具有WC晶體結構的MoP單晶中觀測到三重簡并點，其附近準粒子激發態被稱為三重簡并費米子。他們的工作首次實驗證實固體材料中存在超出傳統類型的費米子，該結果發表在【Nature 546, 627-631 (2017)】。但是，這個工作只證明了三重簡并半金屬態，其拓撲性質沒有被確定。

　　極端條件七組在ARPES實驗中觀測到WC體態中的三重簡并點（圖1d,e），與計算結果高度吻合（圖1b,f）。與MoP相比，WC的三重簡并點在費米能級附近，更容易表現出與三重簡并費米子有關的物理性質。W 5d電子比Mo 4d電子具有更強的自旋－軌道耦合，導致較大的能帶劈裂，實驗測量結果與MoP相比也更加清晰。重要的是，他們在（100）解理面觀測到費米弧表面態，連接三重簡并點在（100）表面布里淵區的投影（圖2a,c,f）。經過仔細分析和理論計算(圖2b,d,g)，確定了WC中三重簡并半金屬態的拓撲性質，合理地解釋了表面態觀測結果。部分實驗得到了穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）水冷磁體的支持，在最高38T強磁場下開展了量子震蕩測量，研究WC的費米面結構。量子震蕩數據能很好地直觀提供體態的費米面結構信息，從而彌補了ARPES只能觀測表面淺層電子態信息的缺陷。SHMFF實驗的數據和ARPES測量結果很好的吻合，進一步為該材料中存在三重簡并費米子提供了證據。

圖2. WC（100）面費米弧表面態。a）三重簡并點#1等能面的ARPES強度圖。b）相應的表面態等能面計算結果。c）沿圖a中紅色虛線觀測到的能帶色散。d）相應的表面態能帶計算結果。e）體布里淵區在（100）面的投影。f）沿方向觀測到的能帶色散。g）沿方向體態和表面態能帶示意圖。h）（100）面費米弧表面態與體態三重簡并點#1的連接以及沿方向和方向表面態能帶的示意圖。