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金屬所發現拓撲狄拉克節線量子態誘發表面電聲耦合反常增強現象
 
2019-09-24 | 文章来源:材料设计与计算研究部        【 】【打印】【關閉

  最近,中國科學院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料设计与计算研究部的研究人员及合作者发现了金属铍表面的巨大电声耦合的反常增强是其块体材料中拓扑狄拉克节线量子态诱发的。因为该节线态会导致鼓膜类拓扑表面态,它们在表面费米能级附近局域,增高了态密度,尤其是通过与低频区表面声子的耦合诱发了巨大的电声耦合效应。研究团队也在其它拓扑材料中揭示了类似的效应。相关成果发表于Phys. Rev. Lett. 123, 136802 (2019) 并入选(PRL Editor’s suggestion),做为亮点文章(highlighted article)在PRL网站推荐。

  電聲相互作用在材料和凝聚態物理中是普遍存在的,也是固體物理量子機制理論中研究最爲普遍的內容之一。它通常反映的是固體材料中原子在平衡位置振動對電子結構的影響,因此電聲相互作用對材料的許多性質有重要影響。比如,它不但影響材料隨溫度變化的電子能帶結構,導致光電子能譜、拉曼和中子實驗中經常觀察到的典型扭結或者Kohn異常現象,而且它還會加強金屬隨溫度變化的電阻,增加半導體材料的載流子遷移速率,更會對傳統BCS超導的産生起到決定性作用等。因電聲相互作用耦合了晶格和自旋自由度或者可調節色心自旋的壽命,在自旋電子學和量子信息領域內也有重要應用。

  金屬的電聲耦合效應通常不會很大,比如塊體金屬铍的電聲耦合效應只有0.24。但铍(0001)表面的電聲耦合效應竟然出現反常增強,是其塊體的5倍以上。這種反常增強現象自上世紀90年代起就被多種不同實驗觀測到,迄今爲止這一現象的機理未明,並引起了廣泛爭議。

  對于金屬铍表面電聲耦合機理的研究,最大的困難之一是電聲耦合基本參數——伊利艾伯格函數的精確求算。盡管以前的研究在頻率區間內積分伊利艾伯格函數得出的電聲耦合強度數值與實驗相近,但計算結果並不可靠。主要因爲以前理論獲得的相應頻率區間的計算結果與實驗結果存在嚴重偏差,同時也無法給出與微觀機理相關的數據。爲了解決這一問題,金屬所研究團隊首先發展了高精度的第一性原理計算算法,通過巧妙的數學處理拆解伊利艾伯格函數,將其在頻率區間的分布與積分變換到電子及聲子的動量空間,從而率先觀測到了每個電子及聲子動量對電聲耦合的影響。爲了驗證算法,他們構建了金屬铍表面的薄膜模型,計算不但獲得了與實驗結果相符的伊利艾伯格函數分布,嚴格修正了以往與實驗嚴重偏離的結果,而且還爲量化每個電子及聲子動量對電聲耦合的貢獻提供了分析工具。

  使用研究团队改进后的精确算法和工具,计算量化了电子动量空间下的伊利艾伯格函数,发现金属铍狄拉克节线量子态引发的鼓膜类拓扑非平庸表面态对其电声耦合的贡献占比超过了80%,这一发现澄清了长期以来广受争议的金属铍表面电声耦合反常增强的机理,同时也揭示了其它拓扑材料中存在相似的效应。审稿专家评价该工作的意义认为:“这些研究者正在刷新寻找改进量子计算和模拟并具有量子相干性的材料的科学(包括物理)。Perhaps the most significant impact of publishing LEA in PRL will be on the quantum information and simulation community. These researchers are scouring the sciences (including physics) looking for cases where having quantum coherence in the computation may improve the results.”另一位审稿人认为:“我认为这些新结果难以置信的引人入胜(I find these new results incredibly compelling),作者提供了清晰的证据表明表面电声耦合效应的反常增强来源于其体拓扑根源。”

  該工作由金屬研究所陳星秋研究員、特別研究助理李榮漢博士(共同一作)和博士生李江旭(共同一作)等共同完成,得到了國家傑出青年科學基金和沈陽材料科學國家研究中心等支持。這個工作也是研究團隊繼兩年前率先報道在铍、鎂、鈣和锶金屬中拓撲狄拉克節線量子態後的又一重要進展。

  原文鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.136802

图1 改进后的算法提高了伊利艾伯格函数的求算精度。比如沿着Be(0001)表面的G-M路径积分的伊利艾伯格函数在频率区间内的峰与实验配备良好

图2 计算精确阐述了金属铍的(0001)表面电声耦合的各向异性,与实验测试结果一致

图3 计算揭示了金属铍的(0001)表面来自狄拉克节线诱导的鼓膜拓扑态电子与低频区表面声子耦合导致电声耦合的反常增强。图示非平庸表面态电子与低频区K点表面声子的耦合显著贡献了反常增强现象。

图4 对应于非平庸鼓膜类拓扑表面局域电子态引发的各向异性电声耦合反常增强局域峰。

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