The Innovation | 反铁磁半金属中的新奇手性费米子

导 读

寻找对称性保护的新奇物态是凝聚态物理的研究热点，其中如何在凝聚态体系中实现高能物理中的特殊对称性是重要的方向之一。近期，南方科技大学刘奇航团队提出在无自旋-轨道耦合的反铁磁材料中可实现高能物理中的SU(2)同位旋对称性，并预言反铁磁半金属CoNb₃S₆中存在该对称性保护的一种具有线性色散的狄拉克型手性费米子。

图1 图文摘要

拓扑半金属是凝聚态物理学中的一个重要物态，它描述的是材料即使在因拉伸或扭曲而变形的情况下，其表面态在一定条件下依然保持稳定的特性。从高能物理中引入的狄拉克半金属与外尔半金属描述了凝聚态物理中的新奇物态，一直以来备受关注。受空间-时间反演对称性的保护，狄拉克半金属动量空间的四重简并点会形成狄拉克费米子。狄拉克费米子由无质量的狄拉克方程描述，其解可以看作由两个相反手性的外尔费米子叠加而成，所以狄拉克费米子的手性为零，符合物理学家的传统认知(图2A)。其对应的表面态—费米弧，一般不受拓扑保护(图2B)。

图2 狄拉克半金属和味外尔半金属示意图

一个狄拉克型的费米子是否可以通过连接两个手性相同的外尔费米子而产生非零的手性？受高能物理中连接质子和中子的一种味对称性，即同位旋对称性启发，刘奇航课题组在理论上指出在一类弱自旋-轨道耦合的反铁磁体系中，由于电子自旋与晶格的旋转对称性部分分离，该体系隐含一种由晶格平移联合自旋转动生成的SU(2)同位旋对称性(图3)。这种对称性会将两个手性相同的外尔费米子联系起来，使之组合成为一个四重简并的非零手性费米子，称为“味外尔费米子”(图2C)。相比于无手性的传统狄拉克费米子，味外尔费米子的能带色散形式完全相同，但具有±2的拓扑荷，因此在材料保持特定对称性的表面存在二重简并费米弧表面态(图2D)。不同于普通狄拉克半金属无拓扑保护的费米弧，味外尔半金属的费米弧更加稳定，可免受微扰影响，因此更有利于实验探测。

图3 反铁磁材料中隐藏SU(2)同位旋对称性

这种隐藏的SU(2)同位旋对称性普遍存在于一系列共线反铁磁材料中。基于对称性分析，课题组提出味外尔半金属的设计原则，搜索得到443种存在SU(2)对称性的共线反铁磁材料，结合第一性原理能带计算进一步筛选出62个味外尔半金属候选材料。研究人员指出过渡金属硫化物CoNb₃S₆(图4A)是一个理想的味外尔半金属，并以此为例分析其中的新奇拓扑物性。

图4 CoNb₃S₆的晶体结构和电子结构

在无自旋-轨道耦合的极限下，CoNb₃S₆的能带在费米能级附近和费米能级上约0.7 eV的位置存在多个四重简并的味外尔点(P₁、P₂及N₁、N₂点)，分别为Berry曲率的源(N₁、N₂)和漏(P₁、P₂)，表明其具有非零的拓扑荷(图4D)。基于体-边对应原则，体系在保持SU(2)对称性的(001)表面会存在连接P₁和N₁的二重简并费米弧(图5A)；相反在破缺SU(2)对称性的(100)表面，费米弧将劈裂为两条非简并的表面态(图5B)，这进一步展示了味外尔点和隐藏SU(2)对称性之间的紧密联系。虽然自旋-轨道耦合效应会破坏SU(2)同位旋对称性，但对于弱自旋-轨道耦合体系，SU(2)对称性的近似存在可作为理解主要电子结构现象的出发点。

图5 CoNb₃S₆体系中受保护的拓扑表面态

总结与展望

该研究在弱自旋-轨道耦合的共线反铁磁材料中，提出了一种SU(2)对称性保护的拓扑半金属态—具有线性色散的狄拉克型手性费米子，其对应的表面态受拓扑保护。稳定的拓扑表面态可以用来探究新奇的输运和光学性质。例如，CoNb₃S₆中具有相反手性的味外尔点并不位于相同的能量上，因此可以研究其在圆偏振光下的量子化信号。此外，由于对称性的要求，CoNb₃S₆体系所对应的自旋霍尔电导和反常霍尔电导均为零，但在特定对称性破缺的情况下，会出现较大的反常霍尔电导信号。目前，CoNb₃S₆反常霍尔电导的机制在学界尚不明确，该研究提供了一种可能的物理机制，该机制可结合中子散射、角分辨光电子能谱以及输运实验来验证。

责任编辑

杜灵杰    南京大学

李贝贝    中国科学院物理研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00139-4

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Report发表的“Chiral Dirac-like fermion in spin-orbit-free antiferromagnetic semimetals” (投稿: 2022-03-16；接收: 2022-09-18；在线刊出: 2022-10-18)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100343

引用格式：Liu P., Zhang A., Han J., et al. (2022). Chiral Dirac-like fermion in spin-orbit-free antiferromagnetic semimetals. The Innovation. 3(6),100343.

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