张成课题组与华东师范大学袁翔课题组合作，在三维体系中实现一维外尔费米子
近日，复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院张成课题组与华东师范大学袁翔课题组合作，通过利用三维拓扑绝缘体的朗道能带构建非布洛赫型能带交叉结构，首次在三维体系中实现一维外尔费米子的准粒子激发。相关成果以“Topological Lifshitz transition and one-dimensional Weyl mode in HfTe5”为题在线发表于期刊《自然-材料》（Nature Materials，DOI: 10.1038/s41563-022-01364-5）。论文通讯作者为张成和袁翔。
固体中丰富的晶体结构会导致不同的电子能带，由此产生了各异的准粒子激发。例如，能带的交叉结构在特定对称性下会产生狄拉克或外尔型的准粒子激发，在拓扑绝缘体、拓扑半金属等体系中被广泛的研究。其中，手征费米子理论上可以存在于所有奇数维度。作为一种无质量手征费米子，外尔费米子具有费米弧表面态、外尔轨道、手征异常等多种新奇量子现象，在TaAs、WTe2等三维外尔半金属中被广泛研究。然而，一维外尔费米子作为最简洁的外尔体系，却由于材料体系局限一直难以在实验上实现。
针对这一问题，研究团队另辟蹊径，利用三维体系在磁场下呈现一维色散形式的朗道能带，结合拓扑绝缘体独特的能带反转和零级朗道能级自旋极化特征，实现了零级朗道能带在强磁场下的能带交叉，从而实现了一维外尔费米子。为揭示体系能带在强磁场下的演化，研究团队综合红外磁光谱技术和量子输运，对HfTe5体系的朗道能级跃迁以及量子振荡系统进行了系统研究，发现随着磁场增加，材料的朗道能带经历三次拓扑相变，并伴随费米面的Lifshitz转变。在给出一维外尔模红外光谱学证据的同时，研究团队进一步探索了一维外尔费米子独特的电磁响应。在光谱和输运上，分别探测到一维外尔费米子的发散光学吸收和手征异常现象。由朗道能带所实现的外尔费米子与来源于传统布洛赫能带的相比，具有严格一维、准粒子参数高度可调、超高态密度等优点。一维外尔费米子的发现，提供了一个探索低维度下外尔费米子的物性的平台，除了本文发现的发散光电导和一维手征异常，仍有一系列预言有待被验证。这一工作也为在三维体系中利用强磁场技术实现低维准粒子激发提供了一种新方法。
图1|强磁场调控的拓扑量子相变
图2|一维外尔费米子的泡利阻塞与手征异常效应
该研究的合作团队包括复旦大学张成课题组、华东师范大学袁翔课题组、中山大学严忠波课题组、南方科技大学卢海舟课题组和复旦大学褚君浩院士课题组等，并获得了国家万人计划青年拔尖人才项目、国家自然科学基金、上海市青年拔尖人才项目、上海市科委与复旦大学的支持和资助。
复旦大学微纳加工与器件公共实验室为本课题提供了重要支撑。表征样品手征异常的输运测量实验对本课题至关重要，相关的平面霍尔电极和底电极器件在加工制造过程中使用了复旦大学微纳加工与器件公共实验室的磁控溅射镀膜(DE500)再样品表面沉积大约100nm厚度的金属电极。 通过使用硬掩模，可以在样品表面形成Hall bar电极接触，而后再用银胶完成引线。如果不预先溅射金属电极，银胶将会和HfTe5样品直接反应，从而使得接触电阻增大数个量级，导致输运器件无法测量。论文已致谢复旦大学微纳加工与器件公共实验室。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01364-5