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中國科學院物理研究所 SF9組供稿 第64期 2019年09月27日
北京凝聚態物理國家研究中心
在一種單層鐵磁材料中發現外爾節線

  最近十几年,能带的拓扑理论发展迅速。目前,人们已经发现了多种拓扑能带结构,比如狄拉克锥(Dirac cone)、外尔锥(Weyl cone)以及狄拉克/外尔节线(Dirac/Weyl nodal line)。这类拓扑能带结构会带来奇特的物理现象,比如手性反常、超大磁阻等。然而,除了石墨烯早已被证实拥有二维狄拉克锥之外,这类奇特的拓扑能带结构在二维材料中非常罕见。我们知道,二维材料在纳米微电子器件中具有巨大的应用价值,因此在二维材料中实现拓扑能带结构具有重要的现实意义。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心SF09组的冯宝杰特聘研究員、陈岚研究員和吴克辉研究員长期从事二维材料的生长及物性表征,最近几年在实验探索二维拓扑材料方面取得了一些突破性的进展。比如,他们先后在硅烯和硼烯中发现了类似于石墨烯中的二维狄拉克锥,随后他们首次在单层Cu2Si中發現了二維狄拉克節線。

  然而,前面提到的幾種二維拓撲材料都是非磁性的,很難直接應用于自旋電子學器件中。因此,人們有必要在磁性材料中探索拓撲能帶結構。2017年,人們首次在實驗上獲得了二維鐵磁材料(CrI3, Cr2Ge2Te6),引發了該領域的研究熱潮。但是,實現拓撲性的二維鐵磁材料仍然比較困難。

  最近,SF09组的冯宝杰特聘研究員、陈岚研究員、吴克辉研究員与北京理工大学的姚裕贵教授以及日本广岛大学的岛田贤也教授合作,利用同步辐射角分辨光电子能谱(ARPES)并结合理论计算在一种单原子层的铁磁材料GdAg2Tc≈85 K)中,发现了自旋极化的外尔节线。通过深入的分析,他们发现这些外尔节线受到晶体对称性的保护,因此具有很好的稳定性。另外,单层GdAg2中的某些外爾節線會隨著磁化方向的不同而選擇性地打開能隙。

  这项工作近期发表在Phys. Rev. Lett. 123, 116401 (2019)上。该工作得到国家自然科学基金委、科技部和中科院B类先导专项等的资助。

圖1:單層GdAg2的計算結果(不考慮襯底)。
圖2:樣品制備及ARPES測量結果。
圖3:ARPES測量結果:證實GdAg2中存在外爾節線。
下載附件>> PhysRevLett.123.116401(2019).pdf
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