近日，復旦大學物理學系教授修發(fā)賢課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中成功實現手性反常（chiral anomaly）的能谷非局域輸運，該結果為外爾半金屬中的手性反?，F象在實驗上提供了可靠的定量測量，并給出了手性反常的個重要參數，能谷散射征長度。

      1月9日，相關研究論文“Room-temperature chiral charge pumping in Dirac semimetals”在線發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications 8, 1374 (2017)）。該工作是與澳大亞昆士蘭大學鄒進課題組、復旦大學物理系吳義政課題組合作完成，修發(fā)賢課題組博士生張成、張恩澤、王偉懿分別為前三名作者。

      物理學的個重要規(guī)律就是對稱性總是對應著守恒量，比如空間平移對稱性對應著動量守恒。但是隨著量子力學的發(fā)現，人們發(fā)現些經典情況下具有的對稱性會在量子化之后被打破，其對應的物理量就會因此不再保持守恒，這就是所謂的量子反常。電影《星際穿越》中多次出現的書和登月艙模型自動掉落書架的情節(jié)對應的引力異?，F象就是個典型的量子反常行為。另個的量子反常就是這里研究的手性反常，對應著手征對稱性的破缺。   

圖1：不同手性的外爾費米子和電磁場激發(fā)的手性轉換 （Chiral anomaly）

      1929年，德國科學家外爾（Weyl）指出無質量電子可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”， 被稱為外爾費米子 (Weyl Fermion)。這種新奇的無質量粒子在粒子物理的標準模型中占有重要地位，但是多年來并沒有被實驗所驗證。之前備受矚目的中微子曾經被認為是外爾費米子，但是后來發(fā)現其實是有定質量的。近期在凝聚態(tài)體系中發(fā)現非簡并的能帶交錯點附近的電子態(tài)恰好符合外爾方程，這種半金屬中的準粒子可以看成是凝聚態(tài)物理中的外爾費米子，對應的母體稱為外爾半金屬。在平行的磁場和電場作用下，外爾費米子會因為手征對稱性的破缺出現手性反?，F象，對應定手性的外爾費米子數目不再守恒。在外爾半金屬中，由于整體電子數不變，手性反常的表現就是其中種手性的外爾費米子會在外場作用下自發(fā)轉化成另種手性，變成種手性化狀態(tài)。

      手性反常下外爾費米子的手性化在實驗上的個表現是會造成個和磁場方向相反的電流，在實驗上的表現是當電場平行于磁場時出現負磁阻。在外爾半金屬被發(fā)現不久，國內外多個課題組都立報導了外爾半金屬中的縱向負磁阻現象。然而，后期仔細的實驗研究表明，在外爾半金屬這類高遷移率的導電材料中，磁場會導致電流的非均勻分布，導致測量時電壓差不*正比于樣品本征的電阻變化，出現所謂的 Current Jetting 現象。這種情況下也會導致縱向負磁阻的產生，使得域內時出現大量關于手性反常實驗驗證的討論。

圖２：手性反常的非局域輸運測量

      和之前的研究不同，修發(fā)賢課題組創(chuàng)新性地把電流誘導和探測手性反常的區(qū)域分離開，在砷化鎘納米片加工出多對通電及測量的電，用能谷輸運的原理來把局域的手性化電子態(tài)傳輸到測量電。這種空間上的隔離很好地去除了 Current Jetting 現象的影響。更為重要的是，多對測量通道同時測量到了化電子態(tài)在樣品中的擴散行為，通過擬合擴散方程，能夠給出能谷散射征長度。這是手性反常的個重要參數，能夠表征化電子態(tài)的穩(wěn)定性，也是理論上計算各種手性反常行為的主要依據。

       這項研究在當前手性反常的大量討論中給出了個可靠的實驗方案，并且定量測量出了手性反常的征參數，給外爾半金屬未來在能谷電子學的各種器件研究奠定了基礎。

修發(fā)賢教授

      修發(fā)賢教授主要從事拓撲狄拉克材料的生長、量子調控以及新型二維原子晶體的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的制備與表征。在二維材料的器件方面主要研究其電學、磁學和光電性。修發(fā)賢教授是PPMS綜合物性測量系統(tǒng)的資深用戶之，很高興由美國Quantum Design生產制造的PPMS綜合物性測量系統(tǒng)能夠為修教授課題組電輸運性質等方面的研究貢獻諸多力量。相信不久的將來，修發(fā)賢教授課題組定能夠在拓撲狄拉克材料、量子調控以及新型二維原子晶體的器件研究中取得更大的突破與進展。

關于Quantum Design

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