中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（Steady High Magnetic Field Facility，简称SHMFF）是国家发改委支持的“十一五”国家重大科技基础设施。SHMFF法人单位是中国科学院合肥物质科学研究院，共建单位是中国科学技术大学。各项任务以中国科学院强磁场科学中心为依托... 更多简介 +
近期，强磁场科学中心田明亮研究员课题组在Dirac半金属Cd3As2费米弧表面态探测方面取得研究进展,相关研究结果以“Recognition of Fermi-arc states through the magnetoresistance quantum oscillations in Dirac semimetal Cd3As2 nanoplates”为题发表在最近一期的美国物理学会物理评论B上[Phys. Rev. B 96,121407(R) (2017)]。
和拓扑绝缘体一样，拓扑Dirac半金属也具有非平庸的拓扑表面态。不同的是，Dirac半金属的拓扑表面态是不连续的费米弧(Fermi-arc)，使得其无法通过传统的Shubnikov-deHaas(SdH)量子振荡来观测。近期理论研究发现，当外加一个垂直于纳米片表面的磁场时，位于上表面费米弧的电子可以通过 Weyl点附近的体态朗道能级直接穿越纳米片而到达下表面的费米弧上，从而形成一个闭合的Weyl磁轨道[Nat. Commun. 5, 5161 (2014)]。原则上，若电子绕着Weyl磁轨道运动一周后仍然保持着位相相干，这种Weyl磁轨道就可以通过类似于SdH类型的量子振荡来观测。这就要求半金属纳米片的厚度足够薄，且比电子的量子平均自由程小。为了达到这个目的，位于德国德累斯顿马普所(Max Planck Institute)的 研究小组利用聚焦离子束(FIB)加工技术在Cd3As2单晶中加工出了超薄的纳米片，并首次实现了这种Weyl磁轨道的观测[Nature 535, 266(2016)]。然而实验发现费米弧表面态量子振荡总是被体态的贡献所掩盖，表面态信号只能在傅里叶变换过后的频率域中分辨出来。
费米弧作为一种特殊的手性边界态，原则上能通过非局域(nonlocal)的探测方法探测到。为了探索如何从较大比重的体态中提炼出表面态量子振荡信号，最近田明亮课题组研究人员利用化学气相沉积(CVD)方法生长出了较大尺寸的Cd3As2纳米片，并详细研究了其在局域(local)以及非局域探测下的量子输运特性。输运研究显示，这些CVD生长的Cd3As2纳米片在高场下展现出了多频的局域量子振荡图案。随后的转角测量发现高场下额外出现的量子振荡呈现出了二维的振荡特性。结合理论分析，研究人员发现这些局域的二维振荡源于拓扑半金属所特有的Weyl磁轨道。进一步研究表明，这些局域的二维表面态量子振荡信号在非局域探测中被显著地放大了。而另一方面，局域的体态量子振荡信号在非局域的探测中得到了极大地抑制。该项实验研究表明，非局域探测是研究拓扑半金属Cd3As2中费米弧表面态的一种非常有效的办法，也适用于其他的Dirac/Weyl半金属体系。
该研究工作得到了国家重点研发计划以及国家自然科学基金等项目的大力支持。
文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.121407。
左：Weyl磁轨道（上）以及微纳加工制备的器件（下）。中：高场下观测到的二维费米弧表面态。
右：局域（V54/I12）以及非局域（V56/I43）量子振荡信号对比。
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