狄拉克半金属Cd3As2纳米线中的Aharonov-Bohm效应

近些年来，在拓扑电子材料研究的前沿领域先后涌现出了包括拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属等多种拓扑非平庸材料，由于其特殊的拓扑电子特性和潜在的应用价值，已成为当今凝聚态物理领域的一个重要研究方向。其中，狄拉克半金属作为一种新颖的量子态，因其体态线性的能带色散关系，而常被比拟为“三维的石墨烯”。同时，理论研究和ARPES实验均表明狄拉克半金属的表面态是由两个手性相反的费米弧组成。因此，狄拉克半金属的表面态既区别于拓扑绝缘体表面的二维狄拉克锥，也区别于外尔半金属表面的开放费米弧，是一种新奇的拓扑表面态。拓扑表面态的研究对于拓扑材料非常重要，并且拓扑电子材料—超导体耦合体系与拓扑量子计算密切相关。然而，通过输运测量研究狄拉克半金属的表面态极具挑战性，这是因为狄拉克半金属体态本身就是具有高迁移率的狄拉克费米子系统，体电导很大，会掩盖来自表面态通道的信号。

最近，由9159金沙申请大厅俞大鹏院士领导的 “纳米结构与低维物理”研究团队在该领域取得新的重要进展。该团队的廖志敏副教授等利用合成的狄拉克半金属Cd3As2纳米线具有单晶性好、载流子浓度低、比表面积大等优点，在低温输运测量中沿Cd3As2纳米线方向施加连续变化的平行磁场，观察到磁通周期为h/e的电导振荡，即Aharonov-Bohm（A-B）效应。一般认为，当纳米线表面电子的平均自由程大于纳米线截面周长时，一维受限体系在有限边界条件的情况下会出现表面子能带的劈裂，随着磁通的变化，穿过费米能级的表面子能带数发生变化，从而导致电导的振荡。在Cd3As2纳米线中，在较低磁场下A-B振荡的电导峰值出现在整数倍h/e处，而在高磁场下，电导振荡峰值出现在半整数h/e处，出现了相位π的转变，暗示了狄拉克点在磁场下劈裂成两个外尔点的物理过程。实验上通过门电压调制，观察到了由于费米能级的移动而导致的A-B振荡相位的变化，进一步表明观察到的A-B振荡来自于一维受限系统的拓扑表面态。当增加纳米线的直径，使得纳米线截面周长大于电子的平均自由程，A-B效应消失，实验上观测到周期为h/2e的AAS效应。该研究结果对于揭示狄拉克半金属表面态的输运特性具有重要意义。

该研究成果近期发表于Nature Communications 7, 10769 (2016). 论文链接：http://www.nature.com/ncomms/2016/160223/ncomms10769/full/ncomms10769.html

博士研究生生王礼先和李彩珍为并列第一作者，廖志敏副教授为通讯作者。该研究成果得到了量子物质科学2011协同创新中心、介观物理国家重点实验室、北京大学电子显微镜实验室等的大力支持。